基于歐洲標準的鋼管排樁碼頭結構設計分析

張 余，王 翔

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220)

引言

板樁碼頭是碼頭主要結構型式之一，主要由板樁、拉桿、錨碇結構、胸墻（或帽梁和導梁）及碼頭設備組成，其特點是依靠板樁入土部分的橫向土抗力和錨碇結構來保持其整體穩定性[1]。受強度制約板樁結構有其適用范圍，適用于水深不大的中小型碼頭，不適用于特別堅硬或軟弱的地基。但隨著港口深水化、大型化發展，具有較高強度，較大抗彎能力的新型板樁結構應運而生。鋼管排樁結構作為一種新型板樁結構，具有較好適應復雜地質條件，施工便捷，水平抗彎能力強，承載力高等優點。

本文通過某工程實例，基于歐洲標準[2～5]分析介紹鋼管排樁碼頭結構設計分析過程及關鍵點，通過巖土結構設計軟件建立模型進行分析并結合工程現場實際情況得出一些經驗性結論。

1 工程概況

本工程碼頭為一期件雜貨泊位改造而來，由于歷史原因，舊碼頭原有岸線與東側二期泊位存在約2°夾角。本工程需拆除原有碼頭結構，并將新建泊位碼頭前沿線將與二期集裝箱泊位碼頭前沿線置于同一直線。使其成為連續的集裝箱泊位，改造后的泊位總長度為670 m。

新建碼頭岸線長為220 m，其中185 m 為拆除原一期件雜貨泊位基礎上新建而成，35 m 為在排水渠上新建連接段并與已建二期集裝箱泊位岸線平順相接，并將二期集裝箱泊位的軌道梁順延至新建碼頭。碼頭面頂高程為3.30～3.65 m 與二期集裝箱泊位碼頭面高程一致。平面布置如圖1 所示。

圖1 平面布置

2 自然條件

1）設計水位

極端高水位2.286 m

設計高水位1.461 m

設計低水位-0.062 m

極端低水位-0.562 m

2）設計波浪

100 年重現期，極端高水位：設計波浪3.11 m,波周期6.5 s；設計高水位：設計波浪3.02 m，波周期6.5 s；設計低水位：設計波浪2.81 m，波周期6.3 s；極端低水位：設計波浪2.8 m，波周期6.3 s。

3）地震：抗震性能按“B”級考慮，L1 地震條件下正常使用，集裝箱岸橋不能脫軌或損壞；L2 地震條件下接近倒塌。采用日本專家福島和田中提出的確定性地震分析方法（Deterministic Approach）推算出本場區L1 地震條件下峰值加速度為0.1g，L2地震條件下峰值加速度為0.276g。

4）地質條件：土層分布均勻，主要是粉細砂和中粗砂。由于工程地質勘察資料為業主方提供，沒有明確的砂土參數，最終設計采用的砂土參數是通過與設計咨詢工程師商討后書面確認的成果：粉細砂?=35o，中粗砂?=37o。采用NCEER 法進行液化判別，存在局部液化點。

3 水工結構設計方案

碼頭為75 000 DWT 集裝箱專業化碼頭，結構設計使用壽命50 年。碼頭設計荷載：集裝箱卸船機軌距30 m，工作輪壓500 kN/輪，地震輪壓650 kN/輪，10 %水平力；堆貨荷載30 kPa。

考慮到新碼頭為拆改后新建且建成后與二期形成連續集裝箱泊位，通過多方案比選最終確定鋼管排樁+錨定樁方案。

鋼管排樁采用直徑1 500 mm，壁厚22 mm 的鋼管樁（泥面以下采用18 mm），鋼管樁間距 1.68 m，頂高程1.5 m，底高程-31.0 m；鋼管樁兩側焊接CT 型鎖口，鎖口底高程為-17.0 m（泥面以下2 m）；鋼管排樁頂部通過胸墻連接為整體，胸墻設計參照二期的形式，為反L 型胸墻，胸墻底高程為0.5 m，頂高程為3.38 m；錨定樁布置在前板樁墻中心線后方35 m 處，采用直徑1 m 的鋼管樁，壁厚18 mm，間距為兩倍的拉桿間距3.36 m，底高程-10.0 m，頂高程0 m；錨定樁通過鋼筋混凝土導梁連接為整體，導梁底高程0 m，頂高程2.5 m。前墻與錨定墻通過直徑70 mm的550級鋼拉桿連接，鋼拉桿長約35 m。

碼頭前墻為集裝箱卸船機前軌道基礎，后軌道基礎為直徑1 000 mm，壁厚18 mm 的鋼管樁，樁間距5.04 m。

碼頭結構典型斷面如圖2 所示。

圖2 碼頭結構典型斷面

4 結構設計路徑及關鍵點確定

在海外工程中板樁碼頭是常用的碼頭形式，通常采用歐標、美標等國際標準進行設計，該項目采用歐洲標準進行設計。歐洲標準的設計思想是極限狀態設計法，分為正常使用極限狀態和承載能力極限狀態。對于正常使用極限狀態，驗算時各分項系數取1.0，對于承載能力極限狀態，歐洲標準給出3種設計路徑（Design Approach，以下簡稱DA）。其中DA1 是作用和材料性能的分項系數法，它有兩套組合。組合DA1.C1 反映了作用（包括土壓力）的不確定性，而認為土體的工程設計參數是可靠的。組合DA1.C2 主要反映了土體參數的不確定性，對于永久土壓力則不再進行放大[6]。通常采用DA1.C1 和DA1.C2 方法對結構進行設計分析。

對于鋼管板排樁的組合結構鋼管樁屬于薄壁結構，同時受彎矩、剪力、軸力作用需根據BS EN 1993-1-1:2005 進行屈曲分析，根據EN 1993-5 2007附錄D2.2（12）進行復核，第12 條是一種保守，但相對“簡單”的計算方法，公式如下：

采用擬靜力法進行地震工況結構分析，地震工況需進行參數敏感性分析。

鋼管排樁腐蝕壁厚的確定：需根據工程地區海水特性確定腐蝕速率，本工程實測二期已建碼頭的腐蝕速率，確定了本項目預留腐蝕壁厚。

5 結構分析

鋼管排樁計算采用的是歐洲標準中推薦的彈塑性共同變形法。彈塑性共同變形法[7]的基本假設是結構周圍的巖土材料是理想的彈塑性Winkler（文克爾）材料。材料性質由水平反力系數kh和極限彈性變形決定，其中水平反力系數描述了材料在彈性區域的變形行為。當超過極限彈性變形時，材料表現為理想塑性。

彈塑性共同變形法計算假定如圖3 所示。

圖3 彈塑性共同變形法計算假定

利用GEO5 軟件建立的結構計算模型如圖4、5所示。

圖4 計算模型三維示意

圖5 結構斷面圖計算模型

按設計路徑DA1 兩種組合的荷載分項系數、可變荷載組合系數和土體指標分項系數如表1、表2、表3 所示。

表1 BS 6349-1-2:2016 中STR&GEO 荷載分項系數

表2 BS 6349-1-2:2016 中荷載可變作用組合系數

表3 EN 1997-1:2004 ANNEX3 中土體指標分項系數

各控制工況計算結果見圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 ULSmax 工況強度計算結果

圖7 L1 工況位移及強度計算結果

圖8 L2 工況位移及強度計算結果

承載能力極限狀態（ULS）控制工況強度3 299.68 kN·m 滿足相應規范[4]要求。正常使用極限狀態（SLS）位移根據BS 6349-2:2010 表1 中規定，結構頂位移應小于L/200，L為嵌固定點至結構頂高度，且不超過100 mm，滿足要求。

L1 工況位移控制，位移需滿足集裝箱卸船機正常運營。鋼管排樁的位移由鋼管排樁在地震土壓力、波浪力、集裝箱卸船機輪壓等外力作用下產生的位移、拉桿在外力作用下的伸長量、錨定結構位移組成。鋼管排樁的位移分為永久作用產生的位移及可變作用產生的位移兩部分，由土壓力引起的永久位移將會在墻后回填完成后完全形成，澆筑胸墻時這部分位移可以抵消掉。從計算結果可以看出板樁墻頂在L1 地震工況下的絕對位移為41.4 mm，該位移包括了拉桿在外力作用下的伸展。根據錨定樁的有限元分析結果可以得到錨定墻在L1 地震工況拉桿作用力下的位移為7 mm。通過計算，由土壓力引起的永久位移為12.1 mm，這一部分位移在胸墻施工過程中已抵消掉。前軌道的位移調節量設計只需要考慮抵消L1 地震工況下的41.4+7-12.1=36.2 mm 的位移。經過與軌道供應商溝通，對軌道的前軌進行雙層墊板的特殊設計，使其能夠調節40 mm的位移，滿足了L1 地震下正常使用的要求。

L2 工況強度控制，L2 工況板樁結構同時承較大彎矩、剪力及集裝箱卸船機輪壓產生的軸向力作用，根據EN 1993-1-1:2005 和EN 1993-5:2007 進行地震工況鋼管樁薄壁結構屈曲分析，滿足規范要求，但是為了提高鋼管排樁抗屈曲能力，鋼管樁內回填密實砂。

6 結語

1）鋼管樁薄壁結構屈曲分析：根據 EN 1993-1-1:2005 第6.3.1.2(4)要求，當垂直作用力與鋼管樁的垂直承載力的比值小于0.04 時，可以不進行整體屈曲的判別。在第四類結構屈曲論證方法不完備的情況下EN 1993-5:2007 附錄D2.2（12）給出了一個推薦方法，該方法偏于保守且不是強制條文，設計人員可以按照EN 1993-5:2007 附錄D2.2 規定中的（3）即EN 1993-1-6 第8 章中薄殼結構的內容來進行驗證，對于鋼結構樁基部分詳細設計見EN 1993-1-1:2005 第6 章。另外，可以考慮在鋼管樁內加灌密實砂來提高鋼管樁安全性。

2）地震應進行專項的地震評估[8]，采用動力時程分析。該項目所在地區為地震高發區且震級較大，由于沒有進行地震專項評估，所以地震設計參數的選取綜合PIANC、美標、歐標、本土規范及中國運工程抗震規范考慮，從而降低結構造價。客觀的說，這樣的處理方法是不科學的，設計過程中應當保持規范的統一性。

3）工程區地質分析：本工程由業主方提供勘察資料，設計方應進行地質分析報告的審查，委托項目所在國的巖土工程師分析地勘資料，與設計咨詢工程師商討，形成書面結論，明確責任。

4）鋼管排樁腐蝕壁厚的確定：正常工況采用95 %保證率的腐蝕速率進行計算，地震工況采用平均腐蝕速率進行計算，這是即符合工程實際，又避免造成不必要浪費的合理考慮。

5）板樁結構專業化軟件開發：目前除了國際通用的有限元軟件，能夠用于海外項目板樁結構分析的軟件對于求解板樁問題均存在一定的不適應性。本工程所采用國際行業內認可的GEO5 計算軟件，但軟件內嵌地震動水壓力的計算方法與港口工程專業的計算方法不一致，需要工程師根據港口工程專業規范進行修正。