菲律賓某電廠卸煤碼頭結構設計要點

嚴凱華

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

隨著國際間交往的加深，港口建設更是成了我國打通“一帶一路”的橋頭堡[1]。菲律賓電力超過一半來源于煤電，卸煤碼頭作為電廠安全運行的可靠保障，只有選擇了合適的結構形式、才能更好地提升整體應用價值，增強國際競爭力。本工程位于菲律賓北部，風浪條件惡劣、地震頻發，對此環境下碼頭結構的設計要點進行分析，可為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

本工程位于菲律賓巴丹省，在馬尼拉灣的西側，為2×660 MW電站的配套卸煤碼頭。碼頭規模為2個7萬t卸煤泊位(泊位總長可滿足1艘16萬t散貨船靠泊或1艘11萬t及1艘5萬t散貨船同時靠泊)，共配置4臺橋式抓斗卸船機，設計年通過能力為600萬t。

2 結構設計條件

2.1 設計內容

卸煤碼頭1座，總長510 m，前沿設計泥面高程為-20 m，由1座工作平臺、2座系纜墩和人行便橋組成，其中工作平臺長340 m、寬26 m、頂高程10.0 m。碼頭通過引橋與后方陸域相連。

2.2 設計條件

1)設計水位：高程系統采用海圖基面，極端高水位1.89 m，設計高水位1.26 m，設計低水位-0.20 m。

2)潮流：工程區的海域屬全日潮，具有明顯的往復流特征。

3)波浪條件：強浪向為SW向，7月份受臺風影響，平均波高和周期明顯增高。波浪重現期50 a時，碼頭前沿波高H1%達9.2 m。

4)地質條件：從地質鉆探結果看，地表為厚度不大的密實砂石覆蓋層，其下基本為礫石或圓石。

5)地震：菲律賓地處環太平洋地震帶，地震活動頻繁，根據工程專項抗震研究報告，工程區域地震平均峰值加速度值為0.3g。

6)卸船機荷載：碼頭配置4臺橋式抓斗卸船機，單機工作效率1 750 th，軌距22 m，外伸距40 m。

7)設計船型及尺度見表1。

表1 碼頭設計船型尺度

3 結構設計要點

3.1 結構形式的比選

離岸式散貨碼頭通常位于沒有掩護的外海區域，常采用高樁式結構和重力式結構，重力式結構是依靠結構本身及其上面填料的重力來保持自身的滑移穩定和傾覆穩定，適用于較好的地基[2]，本工程所在地受到波浪和地震荷載較大，需要較大的結構才能滿足要求，對施工設備要求高。

高樁梁板式結構具有質量輕、消波效果好、荷載傳遞明確，選擇合適的樁基就能保證結構在地震和波浪力作用下的安全，并且整體結構的工程量較小，菲律賓當地的施工條件較落后，重型施工設備都需要從國內調配，相對重力式結構而言，對施工設備的要求較低。經綜合比較，本工程使用高樁式結構，斷面見圖1。

圖1 碼頭平臺結構斷面(高程：m；尺寸：mm)

3.2 樁基設計要點

3.2.1土層參數

土層參數及樁基標準值見表2。

3.2.2樁型選擇

本工程區域的主要地基土層是火山作用形成的由凝灰巖和安山巖膠結而成的集塊體，土層中有大的安山巖塊，打入樁一般無法實施，考慮到碼頭結構的承重能力大，對基礎的要求較高，為滿足相應的設計要求和施工造價等因素，故采用沖孔灌注樁。為充分發揮樁基承載力，且使同一樁臺下的各樁受力盡量均勻，碼頭前后軌道下方各布置一根樁，中間設置兩根樁。

表2 土層參數及樁基標準值

根據《建筑樁基技術規范》[3]，灌注樁大直徑樁單樁極限承載力可按下式計算:

(1)

(2)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值；Qsk為單樁總極限側阻力標準值；Qpk為單樁總極限側阻力標準值；u為樁身周長；qsik為樁側第i層土極限側阻力標準值；qpk為極限端阻力標準值；li為樁周第i層土的厚度;Ap為樁端面積；ψsi為大直徑樁側阻力尺寸效應系數，對黏性土、粉土取(0.8d)、對砂土、碎石類土取(0.8d)，其中d為樁身設計直徑；ψp為大直徑樁端阻力尺寸效應系數，對黏性土、粉土取(0.8D)，對砂土、碎石類土取(0.8D),其中D為樁端擴底設計直徑，當為等直徑樁時，D=d；K為安全系數，取2；Ra為樁基豎向極限承載力特征值。

荷載效應標準組合，樁基豎向承載力計算應滿足：

Nk≤Ra

(3)

Nkmax≤1.2Ra

(4)

地震作用效應和荷載效應標準組合，樁基豎向承載力計算應滿足：

NEk≤1.25Ra

(5)

NEkmax≤1.5Ra

(6)

式中：Nk為荷載效應標準組合軸心豎向力作用下基樁的平均豎向力；Nkmax為荷載效應標準組合偏心豎向力作用下，樁頂最大豎向力；NEk為地震作用效應和荷載效應標準組合下基樁的平均豎向力；NEkmax為地震作用效應和荷載效應標準組合下基樁的最大豎向力。

根據建立模型和計算，本工程中Nk=4 869 kN、Nkmax=8 605 kN、NEk=5 722 kN、NEkmax=9 058 kN。

碼頭樁基采用直徑為1 800 mm的灌注樁。碼頭的樁長根據附近鉆孔資料計算確定，樁底高程為-47～-40 m，總樁長46～53 m，入土深度20～27 m，按照公式計算單樁極限承載力特征值為8 292～13 650 kN，符合規范要求。

3.3 碼頭結構設計要點

根據水面以上波峰面高度等控制標準，確定碼頭面高程10.0 m，考慮滿載吃水時，16萬t船舶干舷高度為6.9 m，5萬t船舶為4.7 m，若按常規將系船柱設置在碼頭面，船舶難以靠泊和系纜，所以設計時在局部排架設置靠船平臺，平臺向海側突出碼頭2 m，頂高程6.0 m，前沿設有靠船構件、橡膠護舷等靠泊設施，通過鋼斜梯與碼頭面相連。此方案可以滿足全部船型安全靠泊，具有很好的適應性，斷面見圖2。

圖2 碼頭系纜平臺斷面(高程：m；尺寸：mm)

本工程卸船機軌距為22 m，軌道中心距碼頭前、后沿均為2 m，結合碼頭作業車輛通道等因素，碼頭總寬度取26 m。軌道梁為預應力混凝土結構，上部結構為正交梁板體系；碼頭中部設置排水梁，用來收集含煤污水，匯集后進入碼頭集污池，由潛污泵加壓提升，送至陸域煤污水處理站進行處理，減少污染，保護環境，符合當地政策要求。

3.4 抗震設計要點

3.4.1基本思想

我國抗震的基本原則是小震不壞、中震有修、大震不倒，分別對應50 a超越概率為63%、10%、2%～3%的地震烈度[4]，碼頭抗震設計主要包括3個方面：抗震設計條件、地震慣性力計算和建筑物結構應力分析[5]。菲律賓國家結構規范[6](簡稱NSCP)的基本原則是避免人員傷亡和結構倒塌，即在小中強度地震作用下，結構保持在彈性范圍內，不發生破壞，大震作用下結構不發生部分或整體倒塌，通過確定結構發生塑性鉸的位置，使得破壞出現在易于檢測和修復的部位[7]。

3.4.2地震區劃分

菲律賓地震頻繁，國土80%以上位于地震4區(地震峰值加速度為0.4g)，其余位于地震2區(地震峰值加速度為0.2g)，見圖3。本項目根據工程專項抗震研究報告，工程區域地震平均峰值加速度值為0.3g。

3.4.3地震反應譜

菲律賓的地震反應譜在確定特征周期時，考慮了震源的類型、場地類別、地震影響系數和震源距離等，如圖4所示。

圖4 工程所在地的地震反應譜

3.4.4地震反應分析

全直樁的高樁碼頭結構地震水平力通過彎矩傳遞至樁基礎，結構受力路徑比較簡潔，增大了結構自振周期，使得地震反應減小，同時考慮不同結構類型的設計延性，使用相應的影響系數R進行折減，得到設計使用的荷載效應。

4 中菲規范材料的比較及應用

作為境外工程，只有熟悉當地的規范，才能夠更好地推進項目，在當地市場實現長足發展。菲律賓沒有專門的碼頭設計類規范，故參照美國規范編制了NSCP，該規范共分為7個章節：總體要求、最小設計荷載、土方和地基、結構混凝土、結構用鋼、木結構、磚石結構。

4.1 鋼筋的比較

4.1.1中國規范對鋼筋的規定

我國鋼筋主要有熱軋光圓鋼筋和熱軋帶肋鋼筋，常用光圓鋼筋型號為HPB300，常用帶肋鋼筋型號為HRB335、HRB400、HRB500，數字代表鋼筋屈服強度標準值，單位MPa，具有不小于95%的保證率[8]。鋼筋的強度設計值等于強度標準值除以材料分項系數γs，熱軋鋼筋取1.1，例如HRB400鋼筋，它的強度標準值為400 MPa，強度設計值為 360 MPa。HRB系列鋼筋具有較好的延性、可焊性、機械連接性能和施工適應性。

4.1.2菲律賓規范對鋼筋的規定

菲律賓規范規定碳鋼和合金鋼要分別符合美標ASTM-A615 M[9]和ASTM-A706 M[10]的規定，主要型號為Grade 40、Grade60和Grade75，它們對應的屈服強度標準值為40 000、60 000和75 000 psi(1psi=6.895 kPa)，具有99.9%的保證率[11]，在結構設計時，采用荷載抗力系數法，考慮強度折減系數和荷載分項系數這兩部分；當受到彎矩、拉壓作用時，強度折減系數Ф取為0.65～0.90，受拉構件取大值，受壓構件取小值。

但經過實地調研后發現，菲律賓當地并不會大批量生產美標鋼筋，而是按照菲律賓國家鋼筋技術規范標準PNS49[12]來生產，當地鋼筋分為普通和可焊接鋼筋，主要型號有Grade 230、Grade275和Grade415，數字代表的鋼筋屈服強度標準值(單位為MPa)，可焊鋼筋在后面加上W，當地主要有公稱直徑為10、12、16、20、25、28、32、36 mm的鋼筋，Grade275和415會在末端分別涂抹黃色和綠色來表示，可焊鋼筋會附加上紅色。

4.2 混凝土的比較

4.2.1中國規范混凝土強度指標取值

采用邊長150 mm的立方體抗壓強度標準值fcu,k作為混凝土強度等級，具有95%的保證率，以符號C表示，單位MPa。軸心抗壓強度的標準值fck，按下式計算：

fck=0.88αc1αc2fcu,k

(7)

式中：0.88為構件強度差異修正系數；αc1為棱柱強度與立方體強度之比，取0.76；αc2為脆性折減系數，對C40混凝土取1.0。混凝土軸心抗壓強度的設計值fc等于fck1.4。例如，對于C40混凝土，它的強度標準值為26.8 MPa，強度設計值為19.1 MPa。

4.2.2菲律賓規范混凝土強度指標取值

菲律賓規范中對混凝土的規定參照美國規范，用直徑150 mm、高300 mm的圓柱體構件測得的抗壓強度f′c作為設計采用的力學性能指標，與中國規范不同，美標中沒有修正系數，所以不存在設計值和標準值。

對于不超過C50的混凝土，美標規定的混凝土強度與我國立方體強度的對應關系[13]見表3。

表3 美標與國標混凝土強度的大致對應關系

4.2.3混凝土耐久性設計的比較

我國規范針對結構所處的環境類別、結構部位和設計使用年限進行設計。對于位于浪濺區的普通鋼筋混凝土結構，水膠比限值為0.40；普通硅酸鹽水泥中的鋁酸三鈣含量宜在6%～12%；常采用表面涂層、硅烷浸漬等附加防腐措施。

菲律賓規范對建筑物在環境中的暴露類別和等級進行分類，共分為4類：F類適用于暴露在霜凍和潮濕條件的結構；S類適用于接觸含有硫酸鹽的水和土壤；P類適用于接觸水且要求低滲透性的結構；C類適用于要求額外配筋防腐保護的結構。每個類別根據不同的嚴重程度劃分等級。

本工程參照暴露等級為S1(中等暴露)，選用鋁酸三鈣含量達到10%的Ⅰ型波特蘭水泥，較高的鋁酸三鈣含量的波特蘭水泥改善了海水中氯化物的混合，有利于結構的耐久性；并在預制構件及除現澆面層頂面以外的現澆混凝土表面采用硅烷浸漬進行保護。

5 結語

1)高樁梁板式結構對當地天然地形、水流影響較小，對風浪有較好的適應性，港區附近設施較為落后，但水上交通較為便利，相對其他結構形式，施工也更加方便，二層系纜平臺的設置保證了船舶的安全靠泊。

2)全直樁的灌注樁結構滿足碼頭承重能力要求，受力合理、明確，適應工程所在地的地質條件。

3)菲律賓是一個多地震國家，對于結構抗震設計要結合當地的實際情況進行合理的設計，確保工程質量。

4)鋼筋混凝土等結構主體材料，直接影響整個工程的采購和施工進度，設計人員要對當地材料的種類和特性充分了解，并在設計時結合實際進行選型，才能夠為項目總承包的開展打好基礎，也為日后在該地區項目的開展提供借鑒。