預制預應力混凝土空心方樁在大噸位碼頭應用分析

趙 娟，池 海

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

預制預應力混凝土空心方樁在大噸位碼頭應用分析

趙 娟，池 海

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

隨著港口工程建設的發展，船舶的大型化，對航道等級、水深及大型深水泊位的建設提出了更高的要求。由于碼頭前沿水深的進一步增加，高樁碼頭中的樁基礎自由站立長度加長且荷載增大，設計中常采用大直徑管樁基礎替代原有的預應力混凝土方樁基礎，但其造價較高。預制預應力混凝土空心方樁能否適應大噸位碼頭建設的需要，成為工程設計中需要解決的重要問題。

深水泊位；大直徑管樁；預制預應力混凝土空心方樁；自由站立長度

引 言

隨著港口工程建設的發展，船舶的大型化，對航道等級、水深及大型深水泊位的建設提出了更高的要求。由于碼頭前沿水深的進一步增加，高樁碼頭中的樁基礎自由站立長度加長且荷載增大，設計中常采用大直徑管樁基礎替代原有的預應力混凝土方樁基礎，但從經濟比較上看，大直徑管樁基礎的造價常常遠大于混凝土樁，因此研究預應力混凝土方樁對深水泊位的適用性，成為工程設計中需要解決的重要問題。

結合天津港及黃驊港區的實際情況，在7萬 t級以下的高樁碼頭設計中常采用650mm×650mm的預制預應力混凝土空心方樁。隨著深水泊位的建設，碼頭前沿水深增加，樁的自由站立長度增大，且受到的荷載增加，這種傳統的混凝土樁基礎是否同樣適合于10萬t級或以上的泊位，有待深入研究。

1 規范設計船型尺度變遷

目前，國內有些散雜貨碼頭設計等級為4萬或5萬t級，而水工結構一般只預留至7萬t級，而不是10萬t。新的海港總體設計規范中，7萬和10萬t級散貨船的滿載吃水相差不大（規范中船型參考尺度只差0.3 m），以天津和黃驊地區碼頭為例，詳見表1。

表1 不同時期規范中散貨船型尺度變化

由表1可以看出，在2008年總體設計規范局部修訂期間，已經對7萬t級和10萬t級船舶滿載吃水作了很大調整，二者差值由1.4 m調整為0.3 m。

2 空心方樁不適宜10萬t級泊位原因分析

根據2008年以前的散貨船型統計資料，7萬t級泊位碼頭前沿水深基本在-14.5 m左右，樁基長細比根據2008年以前規范計算，取值在25以內，10萬t級泊位碼頭前沿水深基本在-16.0 m左右，長細比根據2008年以前規范計算，取值超過25，而水工鋼筋混凝土結構學中指出，采用過分細長的柱子是不合理的，因柱子越細長，受壓后越容易發生縱向彎曲而導致失穩，構件承載力降低越多，材料強度不能充分利用，因此對于一般建筑物中的柱，常限制長細比 L/B≤30及 L/H≤25（L為柱的計算長度，B為矩形截面的短邊尺寸，H為矩形截面的長邊尺寸），工程師經驗控制值一般取為25。所以，在以往的設計中，經常控制7萬t級以下泊位應用預制預應力混凝土空心方樁，而超過7萬t級常常采用大直徑管樁。

3 空心方樁在大噸位碼頭應用情況比較

根據目前掌握的資料，先將已經施工完成及正要施工的7萬～10萬t級碼頭應用預制預應力混凝土空心方樁情況統計見表2。

表2 現有預制預應力混凝土空心方樁應用實例

由表2可知，650mm×650mm空心方樁應用在10萬t級碼頭時，樁體結構的長細比已超過30。

4 空心方樁在大噸位碼頭應用計算分析

4.1 規范調整

最新JTS167-4-2012《港口工程樁基規范》較上一版JTJ254-98《港口工程樁基規范》，在附錄E中增加了樁的壓屈計算長度的確定，對于樁頂鉸接、粧尖未嵌巖且h≥4T的樁（h為樁的入土深度，T為樁的相對剛度特征值），樁身壓屈計算長度（l0為泥面至樁帽底長度，T為樁的相對剛度特征值），而在上一版規范中無明確規定，設計時樁身壓屈計算長度，嵌固深度一般為1.8～2.2T。

最新JTS151-2011《水運工程混凝土結構設計規范》較上一版JTJ267-98《港口工程混凝土結構設計規范》，對于預應力偏心受壓構件正截面受壓承載力有所調整。新規范中：

其中：α1為系數；b為矩形截面寬度；x為等效矩形應力圖形的混凝土受壓區高度；為I形截面受壓區翼緣計算寬度；為I形截面受壓區翼緣高度；e為軸向壓力作用點和鋼筋合力點的距離；為受壓區縱向預應力鋼筋合力點處混凝土法向應力等于0時預應力鋼筋應力；為受壓區縱向預應力鋼筋截面面積；σp為受拉邊縱向預應力鋼筋應力；ho為截面有效高度；為預應力鋼筋合力點至截面受壓邊緣的距離。

新老規范中預應力偏心受壓構件正截面受壓承載力在混凝土標號不大于C50時基本一致。同時受壓承載力應考慮e的影響，新規范中：

其中：η為偏心受壓構件二階彎矩擴大系數；ei為初始偏心距；a為受拉鋼筋合力點至截面截面近邊緣的距離；e0為軸向壓力對截面重心的偏心距；ea為附加偏心距。

4.2 由于規范調整造成計算結果變化

以某黃驊某項目為例，由于規范調整造成計算結果變化對比見表3。

表3 規范調整前后計算結果變化對比

5 結 語

對于10萬t級泊位，碼頭排架間距在6～7 m之間時，靠近碼頭前沿處樁基壓樁力設計值通常在 3 000 kN左右，執行上版規范時 650mm× 650mm及700mm×700mm預應力空心方樁均能滿足設計要求，而按照最新規范計算結果，650mm預應力空心方樁偏心受壓承載力計算值偏小，不能滿足壓樁力計算要求，只能通過減小排架間距或增加排架內樁數降低樁力設計值。經分析比較，該做法提高經濟成本，增大施工難度，故7萬～10萬t級碼頭若采用預應力混凝土樁時，建議采用700mm×700mm預應力空心方樁，在提高結構安全性和耐久性的同時，更具有可實施性和經濟價值。

Application of Precast Pre-stressed Concrete Hollow Square Pile in the Port of Big Deadweight Tonnage

Zhao Juan，Chi Hai
（CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

With the development of port engineering construction，ship large，higher requirements for the construction of channel level，water depth and deep water berths are presented.Due to the further increase of the water depth of the pier，the length of pile foundation in high piled wharfs and the load increase，the foundation of large diameter pipe pile foundation is used to replaced the original prestressed concrete square pile foundation in the design，but its cost is higher.Precast prestressed concrete hollow square pile can adapt to the needs of construction of large tonnage pier，become an important problem to be solved in engineering design.

deep-water berths； large diameter pipe pile； precast prestressed concrete hollow square pile； free standing length

TU473.1+2；U656.1+13

A

1004-9592（2016）05-0035-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160509

2015-12-08

趙娟（1975-），女，高級工程師，主要從事港口工程結構設計工作。