開敞式蝶形石油碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)設(shè)計

肖穎 徐鑫 黃順深

摘 要：隨著社會的發(fā)展，對石油能源的需求不斷增加，驅(qū)動化工碼頭不斷向外海擴建，由于所處工作環(huán)境的特殊性，以及船舶向大型化發(fā)展，導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)受損破壞的現(xiàn)象也時有發(fā)生。本文主要以海南某石油碼頭修復(fù)工程為例，對碼頭結(jié)構(gòu)的受損檢測、受力計算、修復(fù)設(shè)計以及施工工藝幾個方面進行研究。依據(jù)檢測結(jié)果與合理的設(shè)計規(guī)范，針對樁基、墩臺和聯(lián)系橋等損壞構(gòu)件進行力學(xué)計算，結(jié)合安全、經(jīng)濟與環(huán)保的原則，對樁基修復(fù)和構(gòu)件裂縫修復(fù)提出合理的修復(fù)方案，為同類工程提供參考。

關(guān)鍵詞：石油碼頭;施工工藝;樁基修復(fù);裂縫修復(fù)

中圖分類號：U656.1? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0074-03

經(jīng)濟的高速發(fā)展和石油能源需求的日益增加，驅(qū)動我國建設(shè)了大量的液體化工碼頭。隨著現(xiàn)代船舶向大型化、深水化發(fā)展，化工碼頭也從內(nèi)陸作業(yè)區(qū)向開敞式外海擴建。一方面，外海水深浪大環(huán)境較為惡劣，伴隨船舶進出港頻率增加，容易導(dǎo)致船舶停靠時失控撞到碼頭平臺的事故。另一方面，部分港口年代久遠，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料抗腐蝕性難以抵抗船舶撞擊力，導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)受損破壞現(xiàn)象也時有發(fā)生。

基于受力合理、造價經(jīng)濟等因素，液體化工碼頭常采用彈性好、透空性好、波浪反射輕的蝶形平面高樁結(jié)構(gòu)，同時增加了碼頭構(gòu)件損壞的風(fēng)險也提升了碼頭修復(fù)的難度[1-2]。張浩等[3]對高樁碼頭水上水下結(jié)構(gòu)加固、混凝土裂縫修復(fù)和鋼筋銹蝕補強等方面的傳統(tǒng)做法和研究現(xiàn)狀做了總結(jié)及分析。戴海新[4]研究指出結(jié)構(gòu)裂縫的修補首先要確定裂縫成因再選擇合適的修補材料和方法。楊帥[5]等研究表明，水下接樁和增設(shè)灌注樁均能滿足樁基結(jié)構(gòu)修復(fù)需求，兩者在施工難度和修復(fù)費用上存在明顯差異。受制于原有結(jié)構(gòu)和損壞機理等因素不同，目前尚無統(tǒng)一的修復(fù)技術(shù)與方案。本文以海南省某石油碼頭受到船舶撞擊后碼頭結(jié)構(gòu)的修復(fù)工程為例進行闡述，為類似開敞式蝶形樁基碼頭遭遇船舶撞擊的修復(fù)提供參考。

1工程概況

工程位于海南省澄邁縣，5000 t級油輪泊位主要以柴油和燃料油為主。碼頭平面為左右對稱的蝶形布置，采用墩式結(jié)構(gòu)，中部設(shè)有2個22 m×8.5 m×4 m的工作平臺，兩側(cè)分為東西兩個結(jié)構(gòu)段，東、西結(jié)構(gòu)段各有2個7 m×7 m×4.5 m的系纜墩，1個7 m×7 m×4.5 m的靠船墩。工作平臺與墩之間采用7.5 m×2 m×0.5 m預(yù)制安裝混凝土實心板連接;工作平臺與工作平臺之間采用現(xiàn)澆混凝土空心板連接，墩與墩之間采用27 m×2 m預(yù)應(yīng)力T型梁連接;工作平臺采用16根預(yù)應(yīng)力方樁作為基礎(chǔ)，靠船墩和系船墩采用8根預(yù)應(yīng)力方樁作為基礎(chǔ)，上部均為鋼筋混凝土現(xiàn)澆墩臺，引橋長度為558 m，寬為6 m。碼頭平面布置見圖1。

2 構(gòu)件損壞原因及檢測結(jié)果

2.1構(gòu)件損壞成因與檢測方案

2020年4月22日，因強對流天氣影響，碼頭泊位所?？看皞?cè)面撞擊東側(cè)水工結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致碼頭受到嚴重破壞，其中東側(cè)結(jié)構(gòu)有明顯撞擊損壞特征，主要包括前工作平臺與靠船墩2連接板、靠船墩2墩臺及下部基樁、靠船墩2與系纜墩3之間的T型梁等構(gòu)件損毀掉入海中，工作平臺及西碼頭水工結(jié)構(gòu)也存在構(gòu)件損傷。

檢測主要分為水上構(gòu)件外觀檢查和水下基樁摸探檢測。外觀檢查主要對碼頭撞擊受損區(qū)域及影響區(qū)域的外觀質(zhì)量進行檢查，并混凝土構(gòu)件的缺陷狀況進行統(tǒng)計記錄;水下基樁檢測主要對碼頭基樁進行全面檢查，并記錄水下缺陷情況。

2.2構(gòu)件檢測結(jié)果

東碼頭：前工作平臺與靠船墩2連接板、靠船墩2墩臺及下部基樁、靠船墩2與系纜墩3之間的T型梁等構(gòu)件損毀掉入海床底部;靠船墩2上附屬設(shè)施如系船柱、消防炮、炮塔整體墜入海中;上部管線（消防管線、油管）等折斷損壞;面層混凝土有破損、護欄破壞。

西碼頭：前工作平臺與靠船墩1西側(cè)結(jié)合處有長1050 mm寬50 mm裂縫;靠船墩1與系纜墩2連接T梁結(jié)合部位10 mm～40 mm寬度不等的裂縫，側(cè)翼緣有170～200 mm間隙且有不同程度的偏移。

工作平臺：工作平臺前沿靠船構(gòu)件橡膠護舷開裂破損，固定螺絲松動;靠船構(gòu)件出現(xiàn)橫向開裂;護欄破壞。

碼頭受損現(xiàn)場見圖2。

2.3基樁檢測結(jié)果

靠船墩2下部8根基樁完全損毀，另10根樁頭處有脹裂、縱向裂縫、剝落松動等缺陷，1根基樁存在輕微缺陷，其余基樁與上部結(jié)構(gòu)結(jié)合情況良好。碼頭基樁布置見圖3。

3 修復(fù)設(shè)計方案

3.1設(shè)計原則

依據(jù)檢測結(jié)果，因工作平臺、西碼頭損壞程度較小，同時考慮到經(jīng)濟等因素，對其進行修復(fù)補強;對于東碼頭靠船墩、聯(lián)系橋，因其損壞程度較大，且嚴重影響到港口質(zhì)量等級和安全可靠性，依據(jù)相關(guān)規(guī)范重新設(shè)計結(jié)構(gòu)。設(shè)計時考慮由于結(jié)構(gòu)的變化而引起的附屬設(shè)施的變化，但不對原結(jié)構(gòu)的平面布置、范圍、建筑標準和規(guī)模指標等作出實質(zhì)性的改變。

3.2碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)方案

3.2.1靠船墩結(jié)構(gòu)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范并保障修復(fù)的主體結(jié)構(gòu)配套功能設(shè)施完整，方便后期使用和管理。首先對碼頭結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，平面方案基本與原碼頭平面布置保持一致，采用蝶形布置。在原有碼頭基礎(chǔ)上，沿碼頭前沿線向東側(cè)移動3.5 m，新建靠船墩2個，尺寸為7×9.5 m，高4.5 m，墩臺岸側(cè)設(shè)置牛腿結(jié)構(gòu)?？看?下部共設(shè)置8根直徑為800 mm樁壁厚為16 mm的鋼管樁，靠船墩2上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，樁基伸入墩臺不少于800 mm，并設(shè)置樁芯混凝土強度為C40。

3.2.2聯(lián)系橋結(jié)構(gòu)

工作平臺與靠船墩之間的聯(lián)系橋部分修復(fù)，為了讓碼頭能早日投入運營節(jié)約成本，將原本預(yù)應(yīng)力T梁結(jié)構(gòu)更換為便于制作安裝，無需大型預(yù)制場地，且透水性好，重量輕，結(jié)構(gòu)新穎，生產(chǎn)工藝先進的鋼引橋結(jié)構(gòu)。新建靠船墩2與前工作平臺之間用13 m×2 m鋼引橋連接，通過計算分析模型進行規(guī)范檢驗，應(yīng)力比最大值為0.29;新建靠船墩2與原系纜墩2采用23 m×2 m鋼引橋連接，通過計算分析模型進行檢驗，應(yīng)力比最大值為0.33;檢驗結(jié)果表明兩座鋼引橋結(jié)構(gòu)均能滿足承載力計算要求。鋼引橋均通過預(yù)埋螺栓與支座墩聯(lián)結(jié)。 碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案見圖4。

3.3樁基修復(fù)方案

樁基作為高樁碼頭的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，樁基的破損會對碼頭結(jié)構(gòu)的安全造成影響，因此對有裂縫樁基采用裂縫封閉修補法進行修復(fù)：先清理樁基表面附著的海洋生物，根據(jù)裂縫的走向在裂縫的兩側(cè)用水下風(fēng)動金剛石鋸開兩道切割線;并在兩切割線內(nèi)用氣鑿鑿開寬2 cm深3 cm的U型凹槽;岸上配置好環(huán)氧修補膠，然后由潛水員帶至修補部位，將修補膠一次或分次壓入凹槽內(nèi)使其略高出槽面，再抹平修整，在已填充修補膠的裂縫表面放置一層橡膠墊，使用膠帶綁緊與樁身上，當(dāng)裂縫修補完畢24小時后，可拆出橡膠墊。

對于破損的樁基結(jié)構(gòu)若采用加樁方案，首先需要對碼頭現(xiàn)有的上部結(jié)構(gòu)進行拆除，且新增樁基費用較高，不僅增加了碼頭的施工成本，還會對碼頭的運營產(chǎn)生影響;考慮使用現(xiàn)澆混凝土包覆法修復(fù)：先清理樁基周圍的海洋生物，利用水下設(shè)備對樁基表面進行清洗、鑿毛，鑿除松散混凝土;新增受力鋼筋、錨筋，逐條焊接或綁扎鋼筋籠。錨筋與箍筋在缺陷中心一定范圍處適當(dāng)加密，加密間距為200mm;在樁基缺陷中心以下3m處安裝鋼抱箍作為模板底部支撐，然后在缺陷中心上下3m的范圍內(nèi)安裝模板，最后安裝導(dǎo)管并澆筑水下混凝土。

通過該方法修復(fù)樁基結(jié)構(gòu)，可使樁基恢復(fù)到原有尺寸或局部加大截面尺寸，從而保證樁基的耐久性。樁基修復(fù)加固方案如圖5。

3.4混凝土構(gòu)件裂縫修復(fù)

對混凝土構(gòu)件表面出現(xiàn)的無銹跡裂縫，根據(jù)《港口水工建筑物修補加固技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定及設(shè)計要求。

（1）對于寬度大于0.3 mm的無銹跡裂縫或貫穿性無銹跡裂縫這類非耐久性破損裂縫，采用化學(xué)灌漿法進行維修：首先清除混凝土裂縫表面松散物和縫內(nèi)異物，再按 200～500mm 間距使用鉆孔法或粘貼法沿縫的兩側(cè)斜向成孔設(shè)置灌漿嘴，裂縫的端部、裂縫交叉處及貫穿裂縫的兩個側(cè)面均應(yīng)埋設(shè)灌漿嘴;裂縫進行密封處理后再通過壓氣檢查連通和密封效果;再使用0.2～0.8 MPa的壓力進行灌漿，其中灌漿液的配置應(yīng)根據(jù)固化時間及灌漿速度隨配隨用;待漿液固化后，拆除灌漿嘴并進對混凝土表面進行修整。

（2）當(dāng)非耐久性破損裂縫寬度為0.2 mm～0.3 mm時，采用封閉修補法進行維修：采用機械或人工方法，沿裂縫走向騎縫鑿深度不小于30mm和寬度不小于20 mm的U型凹槽;清除槽內(nèi)松散層、油污、浮灰及其他不牢附著物;準確稱量、拌制封縫材料，一次或分次壓入U型槽內(nèi)使其略高出槽面，并抹平修整。

項目在對各混凝土構(gòu)件缺陷修補后，需粘貼碳纖維布、U型箍和壓條，彌補所需的承載力。同時，對碼頭結(jié)構(gòu)各構(gòu)件局部混凝土表層破損深度不超過鋼筋保護層的混凝土構(gòu)件選用聚合物水泥砂漿進行修補;對混凝土表面出現(xiàn)砂斑、砂線、蜂窩以及麻面表層裂縫缺陷的構(gòu)件采用防腐涂料，聚合物水泥砂漿、環(huán)氧水泥砂漿等修復(fù)。

3.5附屬設(shè)計修復(fù)

針對護舷修復(fù)，擬采用更換脫落缺失的護舷的方法對其進行修復(fù);工作平臺及東側(cè)部分損壞缺失的欄桿，需修復(fù)。欄桿采用304不銹鋼材料，與碼頭現(xiàn)有欄桿保持一致，并與之平順連接。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展需要和海岸資源限制，我國化工碼頭也將由建設(shè)為主轉(zhuǎn)變?yōu)楣莛B(yǎng)為主，也意味著越來越多的化工碼頭結(jié)構(gòu)需要加固維修。碼頭結(jié)構(gòu)的加固維修不僅要考慮工作環(huán)境的特殊性，還要考慮維修后的耐久性。本文結(jié)合工程實例從樁基修復(fù)和構(gòu)件裂縫修復(fù)介紹了切實可行的加固維修方案，加固維修后的石油碼頭，效果良好，采用的修補技術(shù)經(jīng)濟、環(huán)保、有效，為碼頭長期安全運營提供保障。

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