大水位差高樁梁板碼頭系靠船結(jié)構(gòu)及前排樁基選型

王曉麗，陳新，孫世偉

（中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040）

0 引言

近年來，長江中下游新建的高樁碼頭，由于其水位差較大（設(shè)計(jì)水位差為10~17 m[1]），通常采用多層系靠船結(jié)構(gòu)，其分層高度為3～5 m。這種設(shè)置多層系靠船結(jié)構(gòu)的大水位差碼頭結(jié)構(gòu)形式，除可采用桁架式、框架式、墩式結(jié)構(gòu)外，也可采用梁板式結(jié)構(gòu)[2]。

大水位差高樁梁板碼頭系靠船結(jié)構(gòu)多采用鋼結(jié)構(gòu)，樁基多采用鋼管樁，其具有結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，施工速度快，有利于搶枯水期施工的特點(diǎn)[3]，但由于鋼結(jié)構(gòu)具有造價(jià)高，易銹蝕，維修難度大、維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，制約了這種結(jié)構(gòu)的使用范圍。

本文結(jié)合某大水位差高樁梁板碼頭，對(duì)其系靠船結(jié)構(gòu)和前排樁基進(jìn)行優(yōu)化：1）采用混凝土系靠船結(jié)構(gòu)替代鋼系靠船結(jié)構(gòu)、2）采用PHC樁基替代前排鋼管樁。該種新型碼頭結(jié)構(gòu)具有受力明確、耐久性好的特點(diǎn)，不僅降低了工程造價(jià)和使用期的維護(hù)費(fèi)用，還有效地解決了鋼結(jié)構(gòu)易銹蝕等問題。

1 工程概況

1.1 建設(shè)規(guī)模

該綜合碼頭工程地處長江中游荊江段右岸，碼頭岸線長333 m，新建2個(gè)3 000噸級(jí)件雜貨泊位，1個(gè)3 000噸級(jí)散貨泊位，同時(shí)兼靠5 000 t貨船和1 000 t貨船。設(shè)計(jì)年通過能力為239萬t/a。

1.2 自然條件

1） 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高水位40.31 m，設(shè)計(jì)低水位26.87 m。

2） 工程地質(zhì)

工程區(qū)域內(nèi)鉆探（圖1）揭示地層表層主要是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其下依次為粉質(zhì)黏土、粉砂，底層為砂卵石。砂卵石層具有厚度穩(wěn)定，承載力高，壓縮性低的特點(diǎn)，可作為本工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的樁端持力層。

圖1 工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the engineering geological profile

1.3 工藝荷載

1） 裝卸機(jī)械荷載

本碼頭配備1臺(tái)50 t-30 m門座式起重機(jī)，軌距10.5 m，單腿輪數(shù)8個(gè)，最大輪壓300 kN；5臺(tái)16 t-30 m門座式起重機(jī)，軌距10.5 m，單腿輪數(shù)5個(gè)，最大輪壓250 kN。

2） 碼頭面堆載

門座式起重機(jī)軌道兩側(cè)1.5 m區(qū)間內(nèi)禁止堆存；自陸側(cè)軌道前1.5 m至碼頭前沿之間荷載為20 kPa；自陸側(cè)軌道后1.5 m至碼頭后沿之間荷載為40 kPa。

3）水平運(yùn)輸機(jī)械荷載

碼頭面水平運(yùn)輸機(jī)械采用55 t汽車。

1.4 船舶荷載

本工程水工結(jié)構(gòu)按5 000 DWT設(shè)計(jì)，根據(jù)作用在船舶上的風(fēng)荷載和水流力（計(jì)算風(fēng)速VF=22 m/s，計(jì)算流速Vs=2.0 m/s），按JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[4]的相關(guān)規(guī)定計(jì)算，并考慮其它因素，計(jì)算出船舶系纜力標(biāo)準(zhǔn)值為Nmax=422.9 kN，故本工程選用450 kN系船柱。

根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[4]，計(jì)算得到船舶的有效撞擊能量E0=104.4 kJ，據(jù)此選用DA-A400HL1500型橡膠護(hù)舷，單個(gè)橡膠護(hù)舷設(shè)計(jì)吸能為67.6 kJ，船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值為404.7 kN。

2 碼頭結(jié)構(gòu)方案

結(jié)合裝卸工藝、自然條件、工程地質(zhì)，確定碼頭平面布置方案如下：碼頭平臺(tái)長333.0 m，寬28.0 m，自上游至下游依次為1號(hào)、2號(hào)件雜貨泊位，3號(hào)散貨泊位。本碼頭共分為5個(gè)結(jié)構(gòu)段，結(jié)構(gòu)段長度為60~68.25 m，每個(gè)結(jié)構(gòu)段由8~9榀排架組成，排架間距為8 m。

碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，由橫梁、縱梁、軌道梁、疊合面板和現(xiàn)澆面層等組成，碼頭面頂高程48.81 m，前沿河底高程為22.72 m，前沿水位差達(dá)13.44 m，為了適應(yīng)大水位差特點(diǎn)，滿足不同水位下船舶系靠泊作業(yè)時(shí)的系靠，設(shè)計(jì)采用多層系靠船結(jié)構(gòu)。針對(duì)前沿系靠船結(jié)構(gòu)和前排樁基的選型，提出以下兩種方案。

方案一：碼頭平臺(tái)每榀排架樁基從江側(cè)至岸側(cè)采用 2根 φ900δ16 mm鋼管樁及 5根 φ1 000 mmPHC樁（1根直樁+2根7∶1叉樁+2根直樁），前方設(shè)φ900δ16 mm鋼靠船構(gòu)件，底標(biāo)高27.01 m，并設(shè)置2層由φ600δ14 mm鋼系船梁、鋼橫撐和鋼走道板組成的系靠船作業(yè)平臺(tái)，上下作業(yè)平臺(tái)設(shè)人孔和爬梯。碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖2 方案一碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.2 Sectional view of the first wharf structure scheme

方案二：本方案僅將方案一中的鋼系靠船結(jié)構(gòu)改為混凝土系靠船結(jié)構(gòu)，將前排鋼管樁改為PHC樁，其余設(shè)計(jì)同方案一。設(shè)置2層由混凝土靠船立柱、橫撐和系船梁組成的系靠船作業(yè)平臺(tái)，上下作業(yè)平臺(tái)設(shè)人孔和爬梯。為方便多層系纜的施工，碼頭排架前3根PHC樁頂部設(shè)置樁帽，在樁帽頂部從碼頭前沿往岸側(cè)依次為1 000×1 000現(xiàn)澆混凝土靠船立柱和2根φ1 000 mm現(xiàn)澆混凝土立柱。

靠船構(gòu)件底標(biāo)高為27.01 m，低于施工水位29.50 m，為了保證施工質(zhì)量及工期要求，靠船構(gòu)件采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，樁帽底高程29.59 m，高于施工水位29.50 m，采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。方案二碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖3。

圖3 方案二碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.3 Sectional view of the second wharf structure scheme

3 碼頭兩種結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比

本碼頭共分為5個(gè)結(jié)構(gòu)段，選取其中1個(gè)結(jié)構(gòu)段進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，該結(jié)構(gòu)段長為68.25 m，共9個(gè)排架，排架間距為8 m。采用在國內(nèi)運(yùn)用較為廣泛的易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，對(duì)上述2個(gè)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行建模計(jì)算。在計(jì)算中將結(jié)構(gòu)簡化為平面桿系，利用桿系有限單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[5-6]，鋼管樁樁頂與橫梁的連接按固接考慮，PHC樁樁頂與橫梁的連接按鉸接考慮，樁底端按彈性嵌固點(diǎn)法考慮，進(jìn)而求解出橫梁及樁基礎(chǔ)內(nèi)力結(jié)果。主要構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果見表1。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，兩個(gè)方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移基本一致，均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

表1 碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表Table 1 Internal force calculation results of wharf structure

3.2 造價(jià)對(duì)比

由于前述兩個(gè)方案碼頭的橫、縱、軌道梁、面層結(jié)構(gòu)及后4排PHC樁基完全一致，本文著重對(duì)碼頭的前三排樁基及系靠船結(jié)構(gòu)進(jìn)行造價(jià)對(duì)比分析。

由表2可知，本工程方案二工程費(fèi)用比方案一工程費(fèi)用節(jié)省造價(jià)135 961.67元/榀，節(jié)省造價(jià)約10.42%。

表2 方案造價(jià)對(duì)比表（單榀）Table 2 Project cost comparison table(Single cross)

4 結(jié)語

1）本文提出的大水位差高樁梁板碼頭與傳統(tǒng)碼頭結(jié)構(gòu)相比，工程造價(jià)降低約10.42%，大大節(jié)約了工程投資，同時(shí)也降低了使用期的維護(hù)費(fèi)用。

2）該結(jié)構(gòu)在施工水位以下的靠船構(gòu)件采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，其上設(shè)有現(xiàn)澆混凝土樁帽，合理利用施工水位，降低施工難度，確保施工工期。

3）本文提出的混凝土系靠結(jié)構(gòu)+PHC樁基方案的高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)具有受力明確、耐久性好的特點(diǎn)，有效解決了鋼結(jié)構(gòu)易腐蝕的問題。為類似大水位差高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

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