某海洋重工產(chǎn)品出運(yùn)碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工

吳愛清，程 凱，宋成濤

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071）

隨著陸地石油資源的日趨匱乏，向海洋進(jìn)軍，已經(jīng)成為國(guó)際性石油巨頭的共識(shí)和發(fā)展重點(diǎn)，海洋工程裝備的生產(chǎn)及海洋重工基地的建設(shè)具有廣闊的發(fā)展前景。目前海洋工程裝備主要在海洋重工基地后方的陸域場(chǎng)地上進(jìn)行分段拼裝，然后在出運(yùn)滑道上進(jìn)行總裝，通過碼頭出運(yùn)。由于本工程海洋重工產(chǎn)品重量最大近2萬噸，通過滑道出運(yùn)時(shí)，滑道承載區(qū)的均布荷載將達(dá)到100 t/m2左右，遠(yuǎn)大于普通碼頭的均布荷載，這對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)整體和上部結(jié)構(gòu)的垂直承載能力提出了較高的要求。目前大多數(shù)滑道出運(yùn)碼頭采用出運(yùn)滑道（墩臺(tái)結(jié)構(gòu)）與舾裝碼頭（高樁梁板結(jié)構(gòu)）相組合的結(jié)構(gòu)方式，其結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，結(jié)構(gòu)整體性及變形協(xié)調(diào)能力一般。本工程結(jié)合海洋重工產(chǎn)品出運(yùn)工藝和荷載特點(diǎn)，采用了滑道與碼頭結(jié)構(gòu)形成一體的整體墩臺(tái)結(jié)構(gòu)方案。本文針對(duì)上述整體墩臺(tái)結(jié)構(gòu)方案，對(duì)出運(yùn)碼頭結(jié)構(gòu)樁基布置、結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力計(jì)算、墩臺(tái)配筋設(shè)計(jì)以及高樁墩臺(tái)施工的特點(diǎn)進(jìn)行了分析論述。

1 工程概述

宏華海洋啟東制造基地一期工程為整個(gè)基地的起步工程，岸線總長(zhǎng)792 m，主要包括材料碼頭泊位1個(gè)、舾裝碼頭泊位3 個(gè)、出運(yùn)碼頭泊位1 個(gè)。一期工程主要生產(chǎn)的海洋工程裝備為400 英尺自升式平臺(tái)，重16 500 t，長(zhǎng)76 m，寬70 m，其出運(yùn)通道位于岸線的的中部，由前方出運(yùn)碼頭及后緣緊鄰的一組陸域滑道組成，出運(yùn)碼頭長(zhǎng)51 m，寬22 m。工程總平面布置如圖1 所示。

圖1 工程總平面布置圖Fig.1 General layout of engineering project

1.1 水文

（1）設(shè)計(jì)水位。根據(jù)工程附近多年實(shí)測(cè)潮位資料計(jì)算得本工程設(shè)計(jì)水文如下：

設(shè)計(jì)高水位：2.60 m；設(shè)計(jì)低水位：-1.88 m；極端高水位：4.29 m；極端低水位：-2.85 m。

（2）潮汐。本工程地處長(zhǎng)江口北支，呈不規(guī)則半日潮，潮周期平均為12 h 25 min，受北支河道形態(tài)影響，潮波變形較為劇烈。

1.2 地質(zhì)

工程區(qū)域內(nèi)鉆探揭示地層主要由人工填土（Q4 ml）、全新統(tǒng)（Q4 m）及晚更新統(tǒng)（Q3 al）地層組成，其中晚更新統(tǒng)（Q3 al）（圖示第7 大單元及以下土層）揭示厚度20～35 m，以砂夾土或土夾砂層狀土、粉細(xì)砂為主，可作為本工程港工結(jié)構(gòu)的樁端持力層。工程地質(zhì)典型斷面圖如圖2 所示。

圖2 工程地質(zhì)典型斷面圖

1.3 工藝荷載

根據(jù)本工程海洋工程設(shè)備的出運(yùn)工藝，本工程陸域共布置4 條滑道，其中中間兩條主滑道，主滑道兩邊各布置兩條副滑道。出運(yùn)碼頭滑移區(qū)域布置如圖3所示，2#、3#滑移區(qū)（對(duì)應(yīng)陸域主滑道）線荷載為1 950 kN/m，工藝承載區(qū)為7 m；1#、4#滑移區(qū)（對(duì)應(yīng)陸域副滑道）線荷載900 kN/m，工藝承載區(qū)域?yàn)? m。

滑道出運(yùn)過程中，出運(yùn)船舶上的搖臂與出運(yùn)滑道上的滑塊組相互頂接，形成一個(gè)完整的運(yùn)輸通道。海工產(chǎn)品出運(yùn)過程中作用于滑塊組上的摩擦力與船舶搖臂對(duì)滑塊組的水平推力相互平衡，因此出運(yùn)滑道碼頭結(jié)構(gòu)在海工產(chǎn)品出運(yùn)過程中不承受水平力［1］。海工產(chǎn)品出運(yùn)流程及受力分析圖4。

圖3 出運(yùn)碼頭滑移區(qū)布置圖Fig.3 Slip zone layout of shipment wharf

圖4 海工產(chǎn)品出運(yùn)流程及受力分析圖Fig.4 Offshore platforms shipment process and force analysis

2 碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

海洋重工出運(yùn)碼頭與普通碼頭的區(qū)別在于除了承受一般碼頭的荷載作用之外，還需承受垂直于碼頭前沿線的滑移出運(yùn)荷載。在海洋重工產(chǎn)品出運(yùn)過程中，滑移區(qū)上首先布置滑塊，滑塊和產(chǎn)品之間放置滑靴以減小摩擦力，產(chǎn)品自重通過滑靴和滑塊作用傳遞至滑道板上。海洋重工產(chǎn)品一般為不定型的鋼結(jié)構(gòu)，其尺寸多樣及自重均較大，滑移區(qū)荷載具有比一般碼頭荷載大且荷載作用平面位置不固定等特點(diǎn)。針對(duì)這種荷載的特性，并結(jié)合出運(yùn)碼頭的功能要求，本工程采用滑道與出運(yùn)碼頭形成一體的整體墩式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)整體性好，對(duì)后期使用過程中的各種工況組合作用情況下的適應(yīng)能力強(qiáng)。

本工程滑道出運(yùn)碼頭長(zhǎng)約51 m，由2 個(gè)25.5 m×22 m 的整體式墩臺(tái)組成，墩臺(tái)厚度2 m。由于碼頭前沿需要進(jìn)行系靠泊作業(yè)，墩臺(tái)結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，且適當(dāng)降低墩臺(tái)低高程有利于靠船構(gòu)件的受力，故在前沿碼頭前沿一定的范圍內(nèi)增加墩臺(tái)厚度至3.2 m，中間采用倒角過渡。出運(yùn)碼頭結(jié)構(gòu)典型斷面如圖5 所示。

出運(yùn)碼頭在承受豎線滑道荷載的同時(shí)還承受船舶荷載、水流力、地震力等水平力的作用，樁基布置應(yīng)考慮垂直荷載分區(qū)、較好的結(jié)構(gòu)水平抗力以及沉樁施工可行性等要求。由于滑道荷載較大，采用樁距較小的樁基布置設(shè)計(jì)，縱向排距為3 m，橫向排距為2.5 m。由于出運(yùn)碼頭前方區(qū)域荷載較大，且由于受安裝靠船構(gòu)件的要求導(dǎo)致懸臂較長(zhǎng)，在碼頭前方布置了兩排Φ1 000 PHC 樁；同時(shí)為了提高結(jié)構(gòu)整體的抗水平能力及抗震性能，墩臺(tái)后部布置了部分斜樁。為了滿足打樁船施工平面布置及避免碰樁的要求，后部樁基斜度為10：1 與12：1 兩種較陡的規(guī)格。出運(yùn)碼頭樁位布置如圖6 所示。

圖5 出運(yùn)碼頭結(jié)構(gòu)典型斷面圖Fig.5 Typical structure profile of shipment wharf

圖6 出運(yùn)碼頭樁位布置圖Fig.6 Pile arrangement of shipment wharf

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

滑道出運(yùn)碼頭結(jié)構(gòu)采用通用有限元方法進(jìn)行計(jì)算，按照三維空間結(jié)構(gòu)有限元的一般方法，建立有限元模型，離散結(jié)構(gòu)單元、施加節(jié)點(diǎn)約束及單元荷載，計(jì)算各構(gòu)件的內(nèi)力和變形。根據(jù)結(jié)構(gòu)自身的受力特征及各種模型模擬的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)樁基及墩臺(tái)采用不同的模型進(jìn)行模擬［2］。

樁基結(jié)構(gòu)采用具有6 個(gè)自由度的桿件單元進(jìn)行模擬，樁基與墩臺(tái)的連接通過對(duì)桿端約束的限制以實(shí)現(xiàn)“固接”與“鉸接”的型式；土的水平抗力系數(shù)根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》中的“m法”計(jì)算出彈簧的彈性系數(shù)施加到桿件單元上［3］；樁身豎向約束根據(jù)《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中的有關(guān)公式按摩擦樁計(jì)算出樁的軸向剛性系數(shù)K，施加到樁基假想嵌固點(diǎn)處。

墩臺(tái)結(jié)構(gòu)由于受力情況復(fù)雜，采用實(shí)體模型進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)體單元的應(yīng)力計(jì)算出墩臺(tái)的彎矩及剪力。由于滑移荷載的組合型式非常多，而實(shí)體單元的計(jì)算速度及后期處理相對(duì)較為復(fù)雜，在計(jì)算過程中可先采用板殼單元加以模擬，通過初步計(jì)算找出最不利的工況組合，然后再針對(duì)工況組合進(jìn)行實(shí)體建模計(jì)算，可有效的提高計(jì)算效率。出運(yùn)碼頭計(jì)算模型如圖7 所示。

通過對(duì)作用在碼頭結(jié)構(gòu)上的各種荷載不利工況組合計(jì)算，分別找出針對(duì)樁基軸力、彎矩及墩臺(tái)長(zhǎng)邊最大正、負(fù)彎矩，短邊最大正、負(fù)彎矩。碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力如表1 所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：出運(yùn)碼頭前沿布置的兩排Φ1000PHC管樁的軸力及彎矩較大，后方Φ800PHC 管樁的軸力相對(duì)較小，樁基的內(nèi)力分配較為協(xié)調(diào)，出運(yùn)碼頭整體的樁基布置方案是合理的；由于碼頭結(jié)構(gòu)在短邊方向承受較大的海工產(chǎn)品出運(yùn)過程中的帶狀垂直荷載，承臺(tái)短邊彎矩大于長(zhǎng)邊彎矩，墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的配筋方案中，可有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖7 出運(yùn)碼頭計(jì)算模型圖Fig.7 Calculation model of shipment wharf

2.3 墩臺(tái)配筋

《水運(yùn)工程混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS151-2011）中，僅對(duì)大體積混凝土受彎構(gòu)件和剛性墩臺(tái)的“縱向受力鋼筋最小配筋率”進(jìn)行了規(guī)定［4］，而墩臺(tái)的配筋計(jì)算方法和計(jì)算規(guī)定并未給出說明。在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）中根據(jù)外排樁中心距墩臺(tái)邊緣的距離與承臺(tái)高度的比較，提供了按“梁式體系”與“撐桿-系桿”兩種墩臺(tái)配筋的計(jì)算方法［5］，但橋梁墩臺(tái)荷載相對(duì)單一，且位置是固定的。

本工程墩臺(tái)結(jié)構(gòu)受到較大的豎向荷載及水平荷載作用，且所受的水平荷載及豎向荷載復(fù)雜、位置不固定，上述方法均不適合于本工程的墩臺(tái)配筋計(jì)算。在《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）中明確指出“跨高比L0 /h＜5 的鋼筋混凝土深梁、短梁和厚板應(yīng)按深受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)”［6］，本工程墩臺(tái)結(jié)構(gòu)屬于厚板的范疇，參照本規(guī)范按深受彎構(gòu)件進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

表1 碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表Tab.1 Calculation results of wharf structure internal force

根據(jù)墩臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果按照規(guī)范要求進(jìn)行墩臺(tái)配筋計(jì)算，墩臺(tái)配筋設(shè)計(jì)如下：對(duì)于3.2 m 厚度墩臺(tái)長(zhǎng)邊方向頂面和底面均采用Φ20HRB335 級(jí)鋼，間距150 mm 的雙層鋼筋，短邊方向頂面和底面均采用Φ28HRB400 級(jí)鋼，間距110 mm 的雙層鋼筋；對(duì)于2 m厚度墩臺(tái)長(zhǎng)邊方向頂面和底面均采用Φ20 HRB335 級(jí)鋼，間距150 mm 的雙層鋼筋，短邊方向底面采用Φ28 HRB400 級(jí)鋼，間距150 mm 的雙層鋼筋、頂面采用Φ25 HRB400 級(jí)鋼，間距150 mm 的雙層鋼筋。

針對(duì)墩臺(tái)結(jié)構(gòu)所承受的荷載特性，采用了不同于《水運(yùn)工程混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS151-2011）中所述的墩臺(tái)配筋方案，并將墩臺(tái)的長(zhǎng)邊和短邊配筋分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，在確保結(jié)構(gòu)受力要求的同時(shí)，做到了工程投資的優(yōu)化處理。

3 高樁墩臺(tái)施工要點(diǎn)

本工程出運(yùn)碼頭高樁墩臺(tái)的施工由于受到水文、空間的限制，施工技術(shù)要求較高，施工難度較大，主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）滑道出運(yùn)碼頭位于整個(gè)碼頭的中部，且后方緊鄰陸域滑道及裝焊平臺(tái)，施工空間狹小，為滑道墩臺(tái)底部的模板承重系統(tǒng)的施工帶來困難。

（2）本工程區(qū)域潮汐現(xiàn)象十分明顯，每日實(shí)際高潮位約2.9 m、低潮位約-1.9 m，而滑道出運(yùn)碼頭結(jié)構(gòu)的墩臺(tái)底標(biāo)高為1.6 m。在每日漲落潮過程，墩臺(tái)底模要承受較大的浮托力大，底模系統(tǒng)容易遭到破壞。

（3）由于墩臺(tái)尺寸及厚度均較大，墩臺(tái)的自重對(duì)承重系統(tǒng)的要求十分高，為了保證工程施工過程中不出現(xiàn)脫模、跑模的現(xiàn)象，需采取分層澆筑的方式進(jìn)行施工。

3.1 墩臺(tái)模板承重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

墩臺(tái)模板承重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性是工程施工是否能夠順利開展的關(guān)鍵技術(shù)［7］，其設(shè)計(jì)主要遵循以下幾點(diǎn)原則：

（1）施工節(jié)奏立足于“搶”，施工環(huán)節(jié)立足于“快”，趁低潮施工下節(jié)點(diǎn)；

（2）為了避免模板結(jié)構(gòu)全閉合后承重系統(tǒng)也無法拆除的問題，采取先完成墩臺(tái)主體澆筑，預(yù)留鋼筋及澆筑缺口，后安裝靠船構(gòu)件的方式解決；

（3）由于樁基間距小、墩臺(tái)自重大，大型船機(jī)設(shè)備無法進(jìn)入，承重系統(tǒng)基本靠人工搭建及拆除，在滿足分層澆筑砼受力的情況下，其結(jié)構(gòu)必須簡(jiǎn)潔、輕便。

3.2 混凝土分層施工

從墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及承重系統(tǒng)的承載能力等方面綜合考慮，本工程墩臺(tái)混凝土應(yīng)分層澆筑。合理的分層厚度及順序，是工程施工進(jìn)度和質(zhì)量的保證。

通過認(rèn)真的研究分析，本工程滑道墩臺(tái)共分6 次澆筑，分層澆筑如圖8 所示。第①、②次澆筑完成下節(jié)點(diǎn)部分混凝土，下節(jié)點(diǎn)第①次澆筑厚度400 mm，第②次澆筑厚度800 mm；第③、④、⑤次澆筑完成水上滑道整體大板結(jié)構(gòu)混凝土，第③次澆筑厚度300 m，至2.8 m 平臺(tái)位置，第④次澆筑厚度800 mm，第⑤次澆筑厚度900 mm，至設(shè)計(jì)頂標(biāo)高4.8 m；待底模板系統(tǒng)拆除完成后，安裝靠船構(gòu)件，進(jìn)行第⑥次混凝土澆注（圖8 中陰影部分）。

混凝土澆注過程要均勻分布混凝土，不可堆積，超出設(shè)計(jì)布料厚度，澆注設(shè)備采用泵車。層與層澆注施工縫留設(shè)臺(tái)階狀，便于后續(xù)安裝靠船構(gòu)件，同時(shí)便于頂部鋼筋整體性。

3.3 承重系統(tǒng)拆除

由于靠船構(gòu)件安裝后，施工船機(jī)及人員將難以進(jìn)入墩臺(tái)底部，故整個(gè)承重系統(tǒng)的拆除必須在安裝靠船構(gòu)件之前（即第⑥次混凝土澆筑之前）完成。拆除工作主要分下節(jié)點(diǎn)承重系統(tǒng)及墩臺(tái)主體承重系統(tǒng)拆除兩步進(jìn)行：第一步待下節(jié)點(diǎn)完成澆注后即拆除底模系統(tǒng)，鋪設(shè)完成澆筑至墩臺(tái)2.8 m 標(biāo)高所需的模板系統(tǒng)；第二步待混凝土澆注至第④層，混凝土強(qiáng)度到70%時(shí)拆除全部底模板系統(tǒng)，然后進(jìn)行上部面筋鋼筋綁扎、埋件安裝。

圖8 墩臺(tái)混凝土澆筑分層示意圖Fig.8 Sketch of concrete layered pouring

4 結(jié)論

（1）海洋工程裝備重量大，產(chǎn)品類型及尺寸多樣，出運(yùn)碼頭應(yīng)滿足出運(yùn)工藝和荷載需要。在多種荷載的作用情況下，采用滑道與碼頭結(jié)構(gòu)形成一體的整體墩臺(tái)結(jié)構(gòu)方案，具有適應(yīng)荷載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)整體性好的優(yōu)勢(shì)。

（2）通過對(duì)本工程滑道出運(yùn)碼頭結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)計(jì)算方法以及墩臺(tái)的配筋設(shè)計(jì)的分析和介紹，總結(jié)了上述海洋重工出運(yùn)碼頭設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

（3）對(duì)于潮汐地區(qū)的大體積墩臺(tái)的混凝土施工，應(yīng)根據(jù)工程水文及結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，對(duì)工程的模板承重系統(tǒng)及混凝土澆筑方案進(jìn)行針對(duì)性的研究和分析，制定切實(shí)可行的施工方案，以保證工程的順利實(shí)施和推進(jìn)。

［1］趙曉嵐，李元音，劉永繡.拖拉導(dǎo)管架滑道及出運(yùn)碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.港工技術(shù)，2004（1）：16-18.ZHAO X L，LI Y Y，LIU Y X. Slipway of guide tube frame & structural design of the wharf［J］. Port engineering technology,2004（1）：16-18.

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［6］SL191-2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］周英，張曉光，陳花美.大體積混凝土高樁墩臺(tái)的施工設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2007（3）：52-54.ZHOU Y，ZHANG X G，CHEN H M. Construction design for mass concrete for platform on steel tubular piles［J］. China harbour engineering，2007（3）：52-54.