大浪強震區高樁碼頭結構設計方案

范 曄

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

近年來，國內設計單位承接了許多海外工程項目，遇到了更多更復雜的設計自然條件。菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程位于菲律賓呂宋島Luna地區，自然條件極其惡劣，既有強震又有大浪，還有海嘯。針對強震和大浪，筆者就如何選擇合適的碼頭結構方案，使其既能滿足碼頭使用要求又經濟合理進行探討。

1 工程概況

菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程位于菲律賓呂宋島Luna地區，面向中國南海，屬于全無遮擋的開敞式海域。擬建1座8萬DWT的卸煤碼頭泊位及配套引橋。泊位全長300 m，其中工作平臺長255 m，寬18 m，設計前沿水深-17 m，兩側設系纜墩各1座。該地區潮差較小，設計高水位為0.674 m，設計低水位為-0.476 m，平常期波浪較小，但受臺風影響較大，是歷年臺風必經之地，僅2018年就有超強臺風“玉兔”“山竹”直面打擊，臺風期波浪達H1%=12.45 m。另外，根據菲律賓規范NationalStructuralCodeofthePhilippines[1]，當地的基巖峰值加速度(PGA)為0.4g，為強震地區。現有陸上鉆孔資料顯示，工程區主要是中密-密砂土，其標貫擊數一般為20～50擊，石灰巖深度為13.3～16.8 m和24.5～30.0 m。高樁結構是比較合適的碼頭結構形式。

2 設計荷載

1)恒載。

3)卸船機荷載：軌距14 m，基距15 m，海測每腿12輪，輪距1 m；岸側每腿8輪，輪距1.1 m；工作狀態最大輪壓500 kN輪，極端大風期最大輪壓650 kN輪。

4)船舶荷載：碼頭系纜設施采用1 500 kN系船柱；靠船設施采用1600H錐型橡膠護舷(一鼓一板)，單鼓吸能量2 510 kJ，反力2 730 kN。

5)波浪荷載：按BS 6439-1-2:2016[2]中相關規定計算波浪荷載，包括樁上波浪力，上部結構水平沖擊力和浮托力和下砸力。

6)地震荷載：根據規范NationalStructuralCodeofthePhilippines，地震反應譜如圖1所示，同時考慮結構延性變形能力，采用折減系數R=3.5。

圖1 地震設計反應譜

3 設計難點及對策

3.1 強震

工程區PGA為0.4g，為強震地區。按照國際主流的結構抗震設計規范，如歐洲標準[3-4]，美國ASCESEI[5]、日本港口設計規范[6]、國際航運協會抗震設計指南[7]等基于性能的抗震設計(performance based seismic design)理念，強震區的高樁碼頭設計要充分發揮結構延性變形能力，主要設計要點包括：1)傳力路徑應盡量簡潔，如采用全直樁的高樁碼頭結構形式，結構地震水平力通過彎矩傳遞至樁基礎，且全直樁高樁碼頭結構是柔性結構，其結構基本周期較長，地震影響系數較低；2)碼頭結構的水平、豎向構件包括樁基礎、橫梁、縱梁等，其布置應盡量均勻、對稱，使結構的剛心和質心的偏心導致的扭轉效應有限[8]。

3.2 大浪

工程區臺風期波浪H1%=12.45 m。波浪對碼頭的主要荷載作用表現在水平向的沖擊力、向上的浮托力及向下的下砸力。減少波浪對碼頭結構影響的最好方法是建立防波堤，但造價較高。另外，可以通過在合理范圍內抬高碼頭面高程，減少波浪對碼頭上部結構的作用力，以及適當增加斜樁數量來控制碼頭位移。

4 高樁碼頭結構設計方案

為減少大浪對碼頭上部結構的作用力，以縱梁不受波浪力為標準，綜合考慮碼頭裝卸工藝設備操作要求，按JTS 165—2013《海港總體設計規范》[9]5.4.8.3中相關規定，經計算，碼頭面高程暫定為12.5 m。根據當地自然條件、總平面布置和造價，高樁碼頭結構設計方案按整體式(碼頭工作平臺和靠系纜結構合二為一)和分離式(碼頭工作平臺和靠系纜結構各自獨立)2種不同的結合方式進行設計。

4.1 整體式

高樁碼頭由上部結構和樁基礎組成，上部結構構成碼頭面并與樁基連成整體，直接承受作用在碼頭面的垂向及水平荷載，并將其傳遞給樁基。樁基用來支承上部結構，并將上部結構及碼頭面的荷載傳遞到地基深處。常規的連片式高樁碼頭靠系船設施直接布置在上部結構橫梁上，因此，主體結構既是工作平臺也是靠系纜平臺，排架間距一般為6～12 m。本工程由于波浪的影響，碼頭面頂高程較大，靠系纜均不便，因此在碼頭前沿間隔24～27 m設置下層靠系纜平臺，平臺下增設1根直樁，靠系纜設施直接設置在下沉式的靠系纜平臺上(圖2)。

圖2 整體式碼頭斷面(高程：m；尺寸：mm。下同)

樁基布置形式是影響碼頭結構方案合理性和經濟性的決定因素，包括樁基的間距、樁徑大小、樁基傾斜度等。針對本項目強震和大浪這2個主要設計難點，分別設計4組不同的樁基布置形式(表1、圖3)。通過模擬計算，探求較優的高樁碼頭樁基布置形式。

表1 樁基布置形式主要參數

圖3 整體式典型布樁形式

根據以上不同的樁基布置形式，采用國際通用有限元軟件Robot進行空間模擬計算，結果見表2。

比較分析以上結果，可以看出：

1)布置1和布置3：為保證相同用鋼量條件下的不同排架間距比較。計算結果顯示，大浪為最不利工況。在該工況下，2種樁基布置形式下鋼管樁均已達到承載力極限值，但布置1的應力偏大，存在壓屈條件下不滿足的情況，位移也較大。

2)布置2、布置3和布置4：為相同排架間距下對樁基斜度的比較。布置2全直樁碼頭在地震工況下樁力較小，但由于本工程中碼頭橫向寬度較小，樁基自由長度較大，全直樁碼頭橫向剛度太小，導致在大浪作用下，鋼管樁已處于屈服狀態。布置3和布置4比較，顯示在極端大波水平力控制工況下，可在允許范圍內適當增加樁基斜度，以減少樁力及位移。

3)布置1～4：根據4個不同樁基布置形式的計算結果可知，無論是大浪還是強震控制工況，布置4在樁基內力和位移方面都是最優的。即排架間距9.0 m，標準斷面下采用4根斜度4:1的φ1 500 mm鋼管樁，隔27 m橫梁局部落底前凸作為靠系纜平臺，平臺下增設1根φ1 500 mm鋼管樁直樁。

表2 整體式碼頭結構方案樁基內力及位移結果

4.2 分離式

基于受力清晰的考量，將碼頭工作平臺和靠系纜結構各自獨立。工作平臺主要承受上部結構垂直荷載，靠系纜墩作為獨立的靠系纜結構布置在碼頭工作平臺兩側及底下。工作平臺采用高樁梁板式結構，排架間距12 m，每榀排架布置4根φ1 400 mm鋼管樁，斜度6:1。上部結構采用現澆橫梁、預制預應力縱梁及疊合面板的結構。靠系纜墩共計10座，采用高樁墩式結構，每個墩臺布置8根φ1 400 mm鋼管樁，斜度4:1(圖4)。

經計算，樁基內力及位移均滿足要求。計算結果見表3。

圖4 分離式碼頭結構方案

表3 分離式碼頭結構方案樁基內力及位移結果(工作平臺)

4.3 整體式和分離式方案比選

整體式和分離式2個方案均能滿足使用要求。從經濟上看，分離式較貴；從施工看，由于分離式靠系纜墩落在工作平臺下，樁基相互影響較大，打樁時須頻繁調整打樁船方位、做好施工組織計劃，且由于工作平臺跨度較大，采用預應力縱梁，須設置預制場地；從使用性能看，分離式方案靠系纜平臺和工作平臺各自分離，受力明確，互不干擾，更具優勢。

5 結語

1)通過對菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程的模擬計算得知，在強震工況PGA為0.4g和大浪工況波高H1%為12.45 m中，大浪是本工程的控制荷載。

2)在強震區基于性能的高樁碼頭抗震設計中，為發揮結構延性變形能力，推薦較為柔性的全直樁碼頭，但并不適合本工程。在本工程中波浪力為控制荷載，而地震力不控制，無論是我國還是國際通用的規范，波浪力均為較常規的荷載，不像地震荷載可按結構延性變形能力采用折減系數對樁基內力進行折減設計。在同等條件直樁和斜樁對比試算中，較柔的全直樁碼頭結構在極端大浪作用下，早已進入屈服狀態，位移無法控制，且在允許方位內樁基斜度越大，樁基的內力及結構位移更小。

3)通過不同排架間距的試算，按充分利用樁基承載力大排架用大樁、小排架用小樁的原則，在同等樁基用鋼量條件下，小排架樁基的應力及位移較大。而且由于本工程樁基自由長度較大，小樁存在壓屈不穩定的狀況。

4)碼頭工作平臺和靠系纜結構合二為一的整體式碼頭結構方案及碼頭工作平臺和靠系纜結構各自獨立的分離式碼頭結構方案均能滿足使用要求。

綜合造價、施工及使用性能，在菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程強震大浪的設計條件下，推薦采用大排架+大樁(大斜度)的整體式碼頭結構方案，即排架間距9.0 m，標準斷面下采用4根斜度4:1的φ1 500 mm鋼管樁，隔27 m橫梁局部落低前凸作為靠系纜平臺，平臺下增設1根φ1 500 mm鋼管樁直樁的整體式碼頭結構方案。