我國碼頭新結(jié)構(gòu)型式綜述

雍 新，史宏達

(中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

港口是一個國家或地區(qū)對外開放的窗口和橋梁，是區(qū)域經(jīng)濟參與國際分工、合作與競爭的重要依托。在經(jīng)濟全球化趨勢下經(jīng)濟和對外貿(mào)易的快速發(fā)展，港口成為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。

建國以來，經(jīng)歷過幾次大型的建設(shè)碼頭的高潮，使得大量優(yōu)良岸線已大部分被使用，自然環(huán)境和建設(shè)條件相對惡劣的岸線不能適應(yīng)傳統(tǒng)典型碼頭的建設(shè)。因此，提出碼頭新型結(jié)構(gòu)已成必然。下面重點介紹幾種較為新穎的碼頭結(jié)構(gòu)型式。

1 開敞式碼頭導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)

隨著煤炭、原油、天然氣等貨物海上運輸距離和運輸量的逐步增大，運輸船舶也日趨向大型化發(fā)展，目前很多港口型式已不能滿足船舶對水深的要求。為適應(yīng)這一趨勢，港口逐步向外海發(fā)展，并越來越多的采用開敞式布置型式。因此，外海開敞式碼頭對于未來船舶和航運的發(fā)展有著重要的作用。

外海開敞式碼頭的建設(shè)當遇到基巖裸露或基巖覆蓋層較淺的地質(zhì)環(huán)境時，一般首選重力式沉箱結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)碼頭面較高、水下工程量大、泊穩(wěn)條件差等不利之處。若采用高樁嵌巖碼頭結(jié)構(gòu)，則存在施工期需要設(shè)置穩(wěn)樁措施、水下工作量大等不足。因此，在地質(zhì)條件為基巖的外海碼頭可以采用嵌巖導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式，將導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)通過嵌巖樁固定在基巖上，這種結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)直樁嵌巖結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：導(dǎo)管架一般在陸地制造，用駁船拖運至井位，由起重機吊放入水中，通過豎向?qū)Ч艽蛉脘摌秾?dǎo)管架固定在海底。導(dǎo)管架水上安裝就位后，可作為樁基嵌巖的施工平臺，導(dǎo)管兼作嵌巖樁的套筒。嵌巖導(dǎo)管架碼頭結(jié)構(gòu)通過增加水平和斜向支撐，減小了樁基的自由長度，從而增加了結(jié)構(gòu)的水平剛度和整體性，使結(jié)構(gòu)受力更加合理。同時水上工程量小，技術(shù)風險小。

目前，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于碼頭工程的實例很少。1977年在阿根廷的科羅拉多角曾采用嵌巖導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式在巖基上成功建造了一座2.5 萬t級的散貨碼頭；1973 年日本在苫小牧港軟土地基以打入式樁基導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)型式建設(shè)了一座墩式25 萬t 原油碼頭。我國在寶鋼馬跡山擴建工程設(shè)計過程中，中交三航院首次提出了嵌巖導(dǎo)管架碼頭結(jié)構(gòu)方案的設(shè)想，程澤坤等人對我國最大的礦石中轉(zhuǎn)港寶鋼馬跡山30萬DWT礦石中轉(zhuǎn)港對設(shè)計的兩種方案嵌巖導(dǎo)管架碼頭結(jié)構(gòu)方案和直樁嵌巖碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案做了對比。

1.1 嵌巖導(dǎo)管架碼頭的結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)嵌巖導(dǎo)管架碼頭的方案平面布置(圖1)，共設(shè)13座導(dǎo)管架單元，導(dǎo)管架單元由直徑2.2 m的8根豎向?qū)Ч芘c若干根直徑為1.1 m的縱橫向的聯(lián)系桿件組成的一個空間框架結(jié)構(gòu)。碼頭上部采用常規(guī)的梁板結(jié)構(gòu)。地基采用碎石找平層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管架通過樁基嵌巖錨固在基巖中。

圖1 卸船碼頭導(dǎo)管架方案結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the discharging terminal jacket scheme

1.2 直樁嵌巖碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

直樁嵌巖方案采用Φ2.8 m嵌巖樁作為碼頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，排架間距12 m，樁距10 m。上部采用現(xiàn)澆橫梁，預(yù)制和現(xiàn)澆迭合軌道梁、縱梁、面板結(jié)構(gòu)(圖2)。在天然地基上需拋填約7 m厚的碎石層，以滿足施工期鋼套管的穩(wěn)定要求。

圖2卸船碼頭直樁嵌巖方案結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural section of the discharging terminal straight piles socketed scheme

項 目嵌巖導(dǎo)管架方案直樁嵌巖方案嵌巖段直徑/m2.02.6嵌巖深度/m4.66.5嵌巖段最大彎矩/(kN·m)3 26518 687樁身最大樁力是/kN16 00716 574碼頭最大水平位移/cm1.74.2下施工工程量減少嵌巖樁的直徑和嵌巖深度水下基礎(chǔ)拋填碎石和嵌巖樁水砼工程量相對較多延米造價/萬元30 45731 463

通過表1比較可以看出：導(dǎo)管架是空間框架結(jié)構(gòu)，其整體性剛度較強，這使嵌巖段的計算彎矩較小，占直樁嵌巖方案的17.5%，同時碼頭最大水平位移也較小，這對外海深水碼頭的安全帶來了明顯的好處。另外，水平位移相差那么大的情況下工程造價比較接近，如果兩種結(jié)構(gòu)在相同的變位條件下進行工程造價比較，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟優(yōu)勢將更加明顯。

2 橢圓沉箱墩式碼頭

沉箱墩式碼頭適用于基巖面較高的地區(qū)，并且是唯一的型式，并且多采用圓形沉箱結(jié)構(gòu)。但當圓沉箱產(chǎn)生前后不均勻沉降、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性差等問題時，可以考慮采用橢圓沉箱結(jié)構(gòu)。

在國內(nèi)，大連港礦石碼頭首次采用橢圓形沉箱作重力墩式結(jié)構(gòu)。大連港位于大連灣東北部海域、大窯灣港區(qū)東海岸，正對東南向外海，波浪比較大，水流為往復(fù)流動，漲潮垂線平均流速為64～76 cm/s；落潮平均流速為36～45 cm/s。碼頭的持力層為中風化板巖，從碼頭的地理位置和自然條件分析，非常適合建設(shè)重力墩式碼頭。橢圓沉箱有2種選擇，結(jié)構(gòu)斷面為1個大直徑沉箱，或并排2個小直徑沉箱。根據(jù)工程的波浪特點，正向大，斜向較小。綜合2個方案的優(yōu)點，設(shè)計成正向迎浪面尺度小，側(cè)面為一整體的橢圓形結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖3 橢圓沉箱結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of elliptical cassioned pier

橢圓沉箱結(jié)構(gòu)相比圓形結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點：由于上部結(jié)構(gòu)坐于一個沉箱基礎(chǔ)上，整體性好，可解決前后不均勻沉降的問題，通過物理模型試驗分析，對于強浪向的半圓斷面小，則碼頭前沿波浪壅高較2個沉箱或1個大圓沉箱為小，能合理降低碼頭高程。提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。另外，橢圓形沉箱相比于另外兩種方案經(jīng)濟造價上更低。

3 內(nèi)河架空直立墩式結(jié)構(gòu)

我國西部地區(qū)河流眾多，水資源豐富，但屬山區(qū)河流，流速大、水位變幅大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)?？紤]到山區(qū)河流特有的地形地質(zhì)、水文及當?shù)亟?jīng)濟條件因素，早期大多數(shù)采用斜坡式碼頭型式。隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西部地區(qū)山區(qū)河流通過航道整治和樞紐建設(shè)，航道條件得到極大改善，但斜坡式碼頭由于其裝卸工藝環(huán)節(jié)多、效率差、安全性差等特點，已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟社會快速發(fā)展的需求。研究開發(fā)適合于西部內(nèi)河港口大水位差集裝箱碼頭新的結(jié)構(gòu)型式，具有非常重要的現(xiàn)實意義，也是西部內(nèi)河港口的當務(wù)之急。

當設(shè)計高低水位差較小時(ΔH≤8.0 m)一般采用直立式碼頭；當設(shè)計高低水位差在8～17 m時，對于件雜貨和散貨裝船，一般采用直立式碼頭，對于專用散貨卸船碼頭宜采用斜坡碼頭；當設(shè)計高低水位差大于17 m時，一般應(yīng)以斜坡碼頭為主。到目前為止，架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)多用于長江等河流的中、下游地區(qū)，其水位差一般不超過20 m。對于內(nèi)河上游河段，由于水位差很大，可達30 m左右，加上經(jīng)濟、技術(shù)方面原因，至今研究建設(shè)還比較少。

內(nèi)河大水位差直立式碼頭應(yīng)用比較廣泛，如重慶港主城港區(qū)寸灘作業(yè)區(qū)一期工程集裝箱碼頭，其設(shè)計水位差為29.5 m，碼頭為框架式樁柱梁板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最大總高度達49.5 m；重慶萬州港江南沱口集裝箱碼頭，其設(shè)計水位差為29.9 m，碼頭亦為框架式梁板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最大高度達46.4 m；四川瀘州港國際集裝箱碼頭，其設(shè)計水位差為18 m，碼頭采用直立桁架式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高度達34 m。

架空直立式碼頭具有許多優(yōu)點：因其碼頭結(jié)構(gòu)為透空式，對水流穿行影響小，裝卸作業(yè)時泊穩(wěn)條件好；自動化程度高、裝卸運輸距離短、裝卸效率高；通過能力大等。但是，架空直立式碼頭也有其不足：結(jié)構(gòu)適應(yīng)工藝荷載變化或超載的能力差；碼頭結(jié)構(gòu)高度大、構(gòu)件多、造價較高；而且該類碼頭是集裝箱碼頭，對散貨或雜貨適應(yīng)性較差。

碼頭平臺樁基為鋼筋混凝土嵌巖鉆孔樁和嵌巖挖孔樁，水下部分通常采用剛性護壁的鉆孔灌注樁，水上部分則采用挖孔灌注樁。架空直立式高樁碼頭由于其整體高度大且受施工條件限制，在上部結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計上通常采用整體現(xiàn)澆的框架結(jié)構(gòu)。

以寸灘港為例，介紹下架空直立式碼頭新型結(jié)構(gòu)形式。重慶寸灘港集裝箱碼頭一、二、三期工程已經(jīng)建成并投入營運。三期工程結(jié)合了庫區(qū)變動回水區(qū)歷時大水深和大變幅水位的特點，設(shè)計時提出了大樁徑大跨度架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)型式(圖4)。

圖4 直立框架式碼頭斷面圖Fig.4 Structural section of upright frame type wharf

通過表2可知，寸灘碼頭的結(jié)構(gòu)型式都是架空直立式碼頭，系纜裝置層數(shù)都是7層，但排架間距是增大的，樁徑隨排架間距總趨勢增大，但一期工程樁徑較大，通過計算，水平位移為4.35 mm，整體結(jié)構(gòu)剛度很大，因此工程費用比較大。三期及其改擴建工程減少了部分聯(lián)系撐，增大了每榀排架樁間距，減小了樁的數(shù)量；由于排架間距變大，增加了碼頭結(jié)構(gòu)的跨度，減小了部分聯(lián)系撐。

表2重慶寸灘港集裝箱碼頭各期工程比較Table 2 Comparison among the phases of the project of container wharf

由于三峽庫區(qū)變動回水區(qū)水文、地形等環(huán)境復(fù)雜，提出新型碼頭結(jié)構(gòu)形式為大樁徑大跨度架空直立式碼頭。本著結(jié)構(gòu)使用安全可靠的原則，使結(jié)構(gòu)簡單、方便施工、減小工程造價，通過靜力分析確定出三峽庫區(qū)變動回水區(qū)合理的大樁徑大跨度直立式碼頭結(jié)構(gòu)型式，提出排架間距為9 m和12 m兩種大樁徑大跨度架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)方案(圖5，圖6)。與已建寸灘集裝箱碼頭相比，新型碼頭結(jié)構(gòu)的單個碼頭泊位工程建設(shè)直接費用節(jié)省了20%。

圖5 9 m排架間距碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.5 Structural section of 9 m-frame spacing wharf

圖6 12 m排架間距碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.6 Structural section of 12 m-frame spacing wharf

大樁徑、大跨度架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)型式相對更為簡單，受力更加明確，具有很好的應(yīng)用前景。

上述結(jié)構(gòu)都是國內(nèi)近幾年新興的碼頭新結(jié)構(gòu)類型，上述結(jié)構(gòu)用途各不相同，但規(guī)范上都沒有此類結(jié)構(gòu)的計算方法。目前，一些通用的有限元計算軟件正越來越多地應(yīng)用到工程實踐中來，常用的主要有ANSYS、SAP2000和MIDAS等。這些計算軟件能很好地模擬實際結(jié)構(gòu)的受力情況，計算速度和精度比傳統(tǒng)的計算模式有很大的提高。大大縮短了設(shè)計周期，結(jié)構(gòu)型式也較為經(jīng)濟合理。

4 結(jié) 論

1)導(dǎo)管架碼頭型式是一種新型碼頭結(jié)構(gòu)型式。它比沉箱結(jié)構(gòu)透空性好、波浪反射小、利于船舶作業(yè)、水下施工工序少，在開敞式環(huán)境下可降低碼頭高程。與直樁嵌巖碼頭相比，它的整體剛度大、水平變位小、水下工作小、施工難度低、施工工期短、較適宜外海條件。

2)橢圓沉箱墩式碼頭增加了碼頭沉箱墩式結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性，上部結(jié)構(gòu)整體性好，可解決前后不均勻沉降問題。對應(yīng)強浪面的斷面小，碼頭前沿波浪較小，能合理降低碼頭高程。并且這種結(jié)構(gòu)型式造價較低。

3)內(nèi)河架空直立墩式碼頭對大水位差適應(yīng)能力強，結(jié)構(gòu)緊湊，對水流穿行影響小，裝卸作業(yè)時泊穩(wěn)條件好，裝卸工藝簡單，效率高，可以節(jié)約寶貴的海岸線資源，是內(nèi)河航道未來發(fā)展方向，有著很好的應(yīng)用前景。但由于其工程造價較高，港口應(yīng)具有一定的貨運規(guī)模才具有良好的經(jīng)濟效益。

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