一種基于設備提升的重力式碼頭結(jié)構(gòu)加固方法

劉勝

摘 要：針對某內(nèi)河碼頭固定吊機設備提升，提出在固定吊基礎后方設置樁基、對重力式碼頭結(jié)構(gòu)進行局部加固的方案。通過分析，得出了一種適合的碼頭改造后抗傾覆、抗滑、整體穩(wěn)定性、基底應力等驗算的簡化公式，方案中樁基對原有重力式結(jié)構(gòu)的抗傾覆作用明顯，對碼頭整體穩(wěn)定性也有一定積極作用，加固方法可為類似工程改造設計參考。

關鍵詞：重力式碼頭;樁基;結(jié)構(gòu)改造;固定吊

中圖分類號：U656.1+11? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0136-02

1引言

由于我國可利用建港的岸線資源已近枯竭，為提升水運運力，碼頭升級改造工程將是未來發(fā)展水運工程基礎建設的重點。增加碼頭通運能力，提升碼頭靠泊能力以及提高港機工作效率是未來的發(fā)展方向。

結(jié)構(gòu)加固改造形式根據(jù)碼頭自身現(xiàn)有環(huán)境限制和滿足使用功能的要求，量體裁衣，現(xiàn)有碼頭結(jié)構(gòu)改造形式也是多種多樣的。僅針對碼頭固定吊機設備提升，提出在固定吊基礎后方設置樁基、對重力式碼頭結(jié)構(gòu)進行局部加固的方案。

2加固方案

浙江地區(qū)某內(nèi)河碼頭為提升碼頭裝卸效率，對原有固定吊進行升級改造，改造后的固定吊最大彎矩提升至1500kN.m，豎向作用力達到100kN。為滿足固定吊使用安全，需對原有結(jié)構(gòu)進行加固改造。加固設計方案：在碼頭墻體后方打設6根直徑400mm、長20m的PHC管樁，通過對既有碼頭混凝土頂面進行鑿毛、植筋，澆筑混凝土承臺，將樁基與原有基座墻體連接成為一體。如圖1所示。

3加固方案簡化驗算方法

鑒于碼頭改造項目前期缺少基礎資料的特點，建議碼頭加固方案按以下情況進行簡化驗算：

（1）一般情況下，采用下式進行驗算：

——原結(jié)構(gòu)作用效應設計值;

——新增加作用效應設計值;

——原結(jié)構(gòu)抗力效應限值;

——新增加抗力效應限值;

公式（1）成立，則驗算滿足要求。

（2）當C-S不明確時，在檢測評估認定碼頭目前使用狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，不考慮原有碼頭富裕量，可按下式進行簡化驗算：

4穩(wěn)定性分析

4.1抗滑穩(wěn)定性分析

該碼頭面荷載未發(fā)生變化，在樁基承臺分擔碼頭面荷載的情況下，可變土壓力與原碼頭實際減小很多。由于承臺混凝土的存在，減小了墻后填土高度，因而，主動土壓力也是減小的。因此，。

固定吊機自重增加，對抗滑穩(wěn)定有利，。

因此，根據(jù)公式（2），可判定改造后碼頭抗滑穩(wěn)定。

4.2抗傾覆穩(wěn)定性分析

考慮固定吊向海側(cè)與碼頭前沿線垂直作業(yè)的最大作用效應工況。

由4.1條分析，可知墻后土壓力減小，土壓力的傾覆作用效應減小，不考慮這部分有利因素。左端存在向海側(cè)傾覆力矩，右側(cè)增加了后方改造后的擴大基礎、承臺、樁基的自重以及樁基抗拔力作用產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩。

實際上僅新增混凝土承臺提供的抗傾覆力矩即足以抵抗增加的傾覆力矩，經(jīng)驗算：，其中僅為新增混凝土承臺提供的抗傾覆力矩，顯然，結(jié)構(gòu)加固滿足抗傾驗算要求。

4.3整體穩(wěn)定性分析

因為樁基承臺承擔了上部荷載向下傳遞的作用效應，其他荷載工況下加固方案明顯有利。因此，只需驗算固定吊向岸側(cè)與碼頭前沿線垂直作業(yè)的最大作用效應狀態(tài)。

文獻[2]中作用于危險滑動面上的滑動力矩的設計值計算公式為：

由該式可得，碼頭改造后，該式增加=Δ吊機傾覆力矩+Δ新增混凝土承臺自重效應。

碼頭加固造后危險滑動面抗滑力矩，由樁基豎向承載力提供的抵抗。

根據(jù)公式（2），只要樁基豎向承載力作用效應>=，則可認為改造后整體穩(wěn)定性滿足要求，樁基豎向承載力與結(jié)構(gòu)自重作用差值與固定吊向岸方向最大傾覆彎矩形成力矩平衡。依據(jù)力矩平衡，樁基豎向承載力設計值需滿足：

D——樁基到固定吊中心距;N——樁基數(shù)量。

可根據(jù)公式（3）進行樁基設計。

由公式（2）驗算：

經(jīng)驗算：，其中僅為新增混凝土承臺提供的抗傾覆力矩，顯然，結(jié)構(gòu)加固滿足抗傾驗算要求。

4.4基床與地基承載力分析

文獻[1]中第2.5.3條與式，經(jīng)整理得：

由4.2節(jié)可知，樁基的抗傾覆力矩大于固定吊最大工作力矩，能夠?qū)崿F(xiàn)自我平衡，所以固定吊在基座底部不會產(chǎn)生扭矩。故而該處僅有固定吊最大的豎向力荷載F（單寬）作用。

由公式（3），可推得新增基床頂面最大應力為：

由于公式（4）中，固定吊基礎中心位置距離前趾距離，則。所以，改造后基床頂面最大應力不發(fā)生變化，根據(jù)文獻[1]中2.5.2條，基床承載力滿足要求。

同理，根據(jù)文獻[1]中2.5.6條及2.5.7條，驗算地基承載力也滿足要求。

5樁基在重力式碼頭改造應用中的作用效應分析

5.1樁基對抗滑穩(wěn)定作用效應

樁基與重力式墻體二者共同作用的機理尚未明確。當重力式墻體發(fā)生位移時，也就是說墻體從靜態(tài)變成動態(tài)、再由動態(tài)變成靜態(tài)重新平衡，這一過程中的慣性力無法確定，重新平衡位移的大小也不好確定，因而樁基水平承載力能夠達到的作用效果不好掌握。

另外，樁基水平承載力是因位移產(chǎn)生的。基底摩擦界面剪切產(chǎn)生的位移很小，雖然足以使墻后土壓力充分發(fā)揮，但使樁基產(chǎn)生水平力的作用并不大。能夠充分發(fā)揮樁基水平承載力的位移，只能建立在重力式墻體發(fā)生滑移或傾覆失穩(wěn)的基礎上，然而這種伴隨土壓力作用下的重力式墻體位移是不可逆的。也就是說，即使在樁基水平承載力作用下達到了平衡穩(wěn)定，那么樁基也將會長期處于水平受力的疲勞狀態(tài)，對其耐久性顯然是不利的。

因此，針對樁基改造方案，不宜考慮樁基水平承載力對抗滑的作用。

5.2樁基對結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性效應

在抗傾覆穩(wěn)定性驗算中，圖1的樁基加固方案，樁基以其穩(wěn)定的豎向承載力明顯增加了對原有結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定作用效應，在這一點上結(jié)構(gòu)受力顯然是明確的。

向海側(cè)抗傾覆穩(wěn)定力矩增加量為：M承臺+M樁抗拔。

5.3樁基對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性作用效應

由3.1條，同樣不建議考慮樁基的抗滑作用。

根據(jù)文獻[2]中6.3節(jié)公式，樁基可以提供抗傾覆作用，進而減小土條頂面可變作用的不利效應。

5.4 樁基對重力式墻體基床與地基承載力作用效應

根據(jù)文獻[1]中2.5.3條，在墻底寬度不變的情況下，基底應力受豎向合力標準值、穩(wěn)定力矩與傾覆力矩差值影響。

由3.2節(jié)，可知樁基改造形式，可以有效縮小，減小偏心距，使基床頂面最大應力標準值降低。

6結(jié)論與建議

采用在吊機承臺后方增加樁基的加固方案，對提升吊機荷載的效果明顯。樁基在類似重力式碼頭改造中對改善結(jié)構(gòu)抗傾覆、整體穩(wěn)定性以及基底和基床應力的作用明顯。

文中提出的碼頭改造的結(jié)構(gòu)、地基應力等驗算簡化公式，可作為同類項目在前期缺少資料時承載力方案階段的估算參考。

參考文獻：

[1] JTS167-2018，碼頭結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[2] JTS147-2017，水運工程地基設計規(guī)范[S].