泰州港梅蘭碼頭改造設計及BIM技術(shù)的應用

顧 茜，何英發(fā)

（中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

引 言

高樁碼頭具有結(jié)構(gòu)輕、受力明確、對軟弱地基適應能力強等優(yōu)點，被廣泛應用于沿江港口建設中。但高樁碼頭由于對上部荷載適應性差，在碼頭升級改造中面臨一定的困難。目前已有眾多高樁碼頭針對各自的特點進行了加固改造，例如：上海港共青1#～3#泊位碼頭加固改造工程利用粘鋼技術(shù)限制裂縫產(chǎn)生及擴展[1]；深圳港招商港9#泊位改造工程中采用碳纖維加固混凝土技術(shù)對受損梁進行加固取得了良好的結(jié)果[2]。南通東海石油分公司江海油庫碼頭通過設置獨立靠船墩，由獨立靠船墩承受船舶的系纜力及靠船力，以解決泊位升級的需求[3]；廣州珠江電廠卸煤碼頭為解決水平承載力不足的問題，采用在碼頭后方新增大直徑受力樁的改造方式，由4萬t級碼頭改造升級為5萬t級[4]。

碼頭加固改造方案的選擇需要綜合考慮經(jīng)濟性、可行性、耐久性等因素，我國碼頭加固改造研究尚處于初步階段，相關研究不多。本文總結(jié)常見碼頭改造方法的優(yōu)缺點及適用性，介紹梅蘭碼頭加固改造工程的設計思路，以期為以后的碼頭改造加固工作提供幫助。

1 碼頭加固改造方案設計思路

碼頭加固改造主要涉及水域浚深、靠泊船型、裝卸機械的更換等工程內(nèi)容，碼頭靠泊能力既受在惡劣自然條件下結(jié)構(gòu)損壞的影響，也受水平力、豎向力等上部荷載變化的影響。

高樁碼頭在升級改造中遇到的主要問題為：

1）由于豎向荷載增加造成的樁基豎向承載力不足；

2）由于水平荷載增加造成的樁基水平承載能力不足；

3）上部梁系、面板承載能力不足；

4）水域浚深，整體穩(wěn)定性不足；

5）構(gòu)件破損，耐久性不足。

針對上述問題，已有高樁碼頭加固改造的成功案例所采用的工程措施及其優(yōu)缺點見表1。

表1 加固改造措施及優(yōu)缺點

高樁碼頭的加固改造需要根據(jù)原有結(jié)構(gòu)的狀態(tài)不同，改造內(nèi)容不同，綜合考慮經(jīng)濟性、耐久性等因素，選擇最優(yōu)的加固改造方案，主要設計思路如下：

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)檢測報告，識別原有結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，評估分級為B級及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不進行處理，否則需修復、補強至B級；

2）根據(jù)碼頭上部荷載的變化，對原碼頭結(jié)構(gòu)進行計算，判斷碼頭承受新荷載的能力是否滿足，找出承載力能力不足的薄弱構(gòu)件；

3）針對不同的承載能力不足的薄弱構(gòu)件，選擇合理的加固改造方案；

4）分析碼頭加固改造后，水電、樁基等構(gòu)件布置是否協(xié)調(diào)。

本文通過總結(jié)泰州港梅蘭港務有限公司通用泊位的設計思路及關鍵技術(shù)問題，為相似工程設計提供借鑒。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 碼頭概況

泰州港梅蘭港務有限公司通用泊位工程（以下簡稱梅蘭碼頭）北鄰已建永安作業(yè)區(qū)三期碼頭。該工程于2009年完工，泊位等級為3.5萬t級（水工結(jié)構(gòu)按5萬t級設計）。碼頭長度為210 m，其中靠船裝卸平臺長195.15 m，轉(zhuǎn)運站墩臺長14.85 m，寬28 m。碼頭頂高程8.9 m，碼頭前沿設計底高程-13.1 m。碼頭平臺裝卸船作業(yè)采用3臺25 t-33 m門座起重機（軌距10.5 m）。碼頭基樁采用φ800 mm PHC管樁和 φ1 000 mm PHC管樁。前沿設置1 000 kN系船柱。

圖1 梅蘭碼頭結(jié)構(gòu)斷面現(xiàn)狀示意

圖2 梅蘭碼頭改造工程位置關系

為貫徹沿江經(jīng)濟帶綠色發(fā)展、港口資源整合的重大戰(zhàn)略思想，響應在泰州港核心港區(qū)建成公用港區(qū)的戰(zhàn)略部署，同時為適應長江南京以下12.5 m深水航道通航后船舶大型化的靠泊需求，現(xiàn)將梅蘭碼頭進行改造，使碼頭結(jié)構(gòu)具備停靠5萬t級散貨船（水工結(jié)構(gòu)兼顧7萬t級散貨船）的能力并與永安三期碼頭形成連片泊位。

2.2 地質(zhì)條件

工程區(qū)域地層自上而下為人工填土、淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉細砂、細砂夾粘性土、粉細砂、中粗礫砂。

2.3 設計船型

碼頭泊位改造后的設計船型尺度如下：

設計船型為50 000 t級散貨船，總長223 m，型寬32.3 m，滿載吃水12.8 m；40 000 t級雜貨船，總長200 m，型寬32.2 m，滿載吃水12.3 m。

水工結(jié)構(gòu)兼顧船型為70 000 t級散貨船，總長228 m，型寬32.3 m，滿載吃水14.2 m。

2.4 碼頭結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀[9]

2016年梅蘭碼頭結(jié)構(gòu)進行了檢測與評估，檢測結(jié)論為：碼頭總體外觀等級為二級；碼頭耐久性評價為：①抽檢碼頭各類型構(gòu)件鋼筋保護層厚度整體控制較好，②所抽檢構(gòu)件碼頭構(gòu)件混凝土抗碳化耐久性水平推薦意見均為“好”，③抽檢構(gòu)件中鋼筋發(fā)生銹蝕的概率均小于10 %，情況較好；抽檢該碼頭的44根基樁（共224根）均為I類樁。

3 改造方案

3.1 原碼頭結(jié)構(gòu)承載能力復核

根據(jù)梅蘭碼頭檢測評估結(jié)果，碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件現(xiàn)狀狀態(tài)良好，無需處理。根據(jù)計算，梅蘭碼頭升級為5萬t級（水工兼顧7萬t級）后，原1 000 kN系船柱無法滿足要求需替換為1 500 kN系船柱。在系纜力等水平荷載及門機荷載等豎向荷載增加后，碼頭樁基承載力尚能滿足要求，但橫梁及軌道梁抗彎承載能力不能滿足要求。

3.2 改造內(nèi)容

1）因為梅蘭碼頭進口的一部分散糧需進行裝集裝箱作業(yè)，因此碼頭裝卸機械增加40.5 t岸邊集裝箱起重機；

2）現(xiàn)有門機后軌至碼頭后沿需依次布置艙蓋板存放場地（10～14 m）、集卡通道（兩車道9 m）、散改集裝卸系統(tǒng)作業(yè)區(qū)（5～8 m）等，經(jīng)計算，需將梅蘭碼頭寬度由28 m改造為45 m。

3.3 梁系構(gòu)件加固改造方案選擇

對于橫梁加固，可采用增設支點法、粘鋼加固法、碳纖維加固法及加大截面法。增設支點加固法通過在排架樁基間距內(nèi)增加樁基數(shù)量，減少梁系跨度，從而減小梁系的內(nèi)力，但該方案施工難度較大，且造價高，從操作可行性及改造成本角度出發(fā)，增設支點法并不適用于本工程。粘鋼加固法和碳纖維加固法，施工界面小，且工程造價低，但二者材料耐久性不易保證且施工質(zhì)量難以控制，不宜作為長久的改造方案。因此，本改造工程采用工程造價低且耐久性高的加大截面法對橫梁進行加固改造。

圖3 標準橫梁改造斷面

對于橫梁頂部，采用鑿除頂部現(xiàn)澆面層及上橫梁頂部鋼筋混凝土，重新鋪設鋼筋的方案，以滿足負彎矩受力要求。

由于裝卸工藝預留 2臺軌距分別為 16 m及22 m的岸邊集裝箱起重機，原碼頭間距10.5 m的軌道梁無法滿足改造后的工藝要求，同時原有2根軌道的抗彎承載能力不能滿足要求。為此鑿除4根軌道梁處的現(xiàn)澆面板、預制面板及一定范圍內(nèi)的上部橫梁，更換或新增軌道梁。

3.4 碼頭平臺拓寬改造方案

為滿足碼頭進行集裝箱作業(yè)，碼頭寬度需由原28 m改造為45 m。后方平臺可采用與前平臺連接一起的整體式方案，也可采用后方平臺與前平臺相互獨立的分離式方案。采用整體式方案，后方平臺與前平臺共同受力，可提高碼頭的水平承載力及豎向承載力，但根據(jù)計算，原碼頭樁基豎向承載力及水平承載力已滿足改造后的要求，同時整體式方案涉及前、后平臺連接處新老混凝土連接問題，施工質(zhì)量較難控制。而分離式方案，結(jié)構(gòu)受力明確，為常規(guī)施工，施工難度較低，因此本工程前、后平臺采用相互獨立的分離式方案。

新建后方平臺采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架位置及結(jié)構(gòu)段劃分與原碼頭平臺基本一致，標準排架間距為7.1 m。排架樁基采用φ1 000 mm灌注樁。單榀排架布置4根樁，均為直樁。上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁及疊合面板構(gòu)成，梅蘭碼頭改造后結(jié)構(gòu)型式詳見圖4。

圖4 改造后碼頭結(jié)構(gòu)斷面

4 BIM技術(shù)的應用

圖5 原設計碰樁調(diào)整及開孔位置調(diào)整示意

目前，BIM 技術(shù)在水運工程領域應用相對較少[10]。本工程同時涉及新建和改造工程，已建工程的構(gòu)件位置對新建工程的構(gòu)件布置影響較大，例如樁基位置、碼頭面開孔位置等。設計過程中利用BIM技術(shù)，建立三維模型，模擬改造后碼頭實況，以校核新、老構(gòu)件之間是否存在沖突。

在本工程的應用中，通過建立BIM模型成功的校核出新建后平臺灌注樁與引橋斜樁發(fā)生碰撞、原人孔位置與新設上水栓孔位置存在沖突等問題，并利用模型成果，對設計方案進行調(diào)整，節(jié)省了大量設計時間。

5 結(jié) 語

高樁碼頭加固改造是一項需要綜合考慮經(jīng)濟性、耐久性及可行性的工程，本工程經(jīng)過選取合理的改造方案解決了梅蘭碼頭泊位升級及集裝箱作業(yè)的需求，同時將BIM技術(shù)應用于碼頭加固改造新老構(gòu)件的協(xié)調(diào)性核查工作中，是BIM技術(shù)在水運工程中的一次有效應用。