淺析高樁碼頭裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估方法

扈世龍，劉樂平，張建球，唐巾評

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

淺析高樁碼頭裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估方法

扈世龍，劉樂平，張建球，唐巾評

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

扈世龍(1989—)，碩士，助理工程師，主要從事水運工程結(jié)構(gòu)檢測、評估與加固工作；

劉樂平(1980—)，博士，高級工程師，主要從事水工防腐涂層和抗腐蝕水泥混凝土研究；

張建球(1987—)，碩士，工程師，主要從事水運工程結(jié)構(gòu)檢測、評估與加固設(shè)計工作；

唐巾評(1988—)，碩士，助理工程師，主要從事水運工程結(jié)構(gòu)檢測、安全生產(chǎn)評估工作。

摘要：文章依托于某高樁碼頭裝卸工藝升級改造工程，基于通用結(jié)構(gòu)安全評估方法，結(jié)合高樁碼頭結(jié)構(gòu)、裝卸工藝和計算等特點，提出一套實用、簡明的高樁碼頭裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估方法。依托工程評估實例表明，已建卸船機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)初始評估等級D級，當(dāng)將卸船機(jī)基礎(chǔ)位置平移至鄰近橫梁后，結(jié)構(gòu)評估等級可達(dá)到A級，建議卸船機(jī)采用此方案進(jìn)行整改；未建卸船機(jī)建設(shè)位置選擇于立柱正中，結(jié)構(gòu)評估等級可達(dá)到A級，推薦卸船機(jī)采用此方案進(jìn)行建設(shè)。研究成果可為依托工程提供依據(jù)及為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu)；高樁碼頭；裝卸工藝；評估；安全；方法

0引言

高樁碼頭具有材料用量少、施工便捷、水位差變化適用性強(qiáng)、對水流影響小等特點，是港口碼頭常采用的結(jié)構(gòu)型式[1]。隨著我國水運事業(yè)的快速發(fā)展，在役碼頭的升級改造已成為快速、便捷提高或維持碼頭貨物吞吐量的重要手段，而碼頭裝卸工藝升級改造亦為其中的重要一環(huán)。規(guī)范[2]中明確提出港口水工建筑物原使用條件發(fā)生改變時，應(yīng)對建筑物進(jìn)行安全性評估。目前針對高樁碼頭整體評估內(nèi)容、方法及流程的相關(guān)研究較多[3-5]，而具體到與碼頭裝卸工藝升級改造安全評估相關(guān)的研究成果不多。由于高樁碼頭構(gòu)件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[6]，裝卸工藝升級改造方式的差別對碼頭構(gòu)件安全影響較大，故對高樁碼頭裝卸工藝升級改造進(jìn)行有針對性的研究十分必要。本文以某內(nèi)河高樁框架式碼頭裝卸工藝升級改造為例，提出實用的裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估方法，對工程已建裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評估，未建(計劃中)裝卸工藝基礎(chǔ)建設(shè)位置進(jìn)行比選，研究成果可為本工程裝卸工藝升級改造提供依據(jù)及為類似工程提供參考。

1工程概況

某內(nèi)河港現(xiàn)澆梁板樁框架式高樁碼頭平臺總長135 m，寬25 m。水工建筑物安全等級二級。如圖1所示，碼頭樁基采用灌注型嵌巖樁，樁基持力層為中風(fēng)化石灰?guī)r，垂直水流方向(橫向)從前往后依次布置A、B、C三排樁，樁嵌巖深度分別為3 m、2.5 m、2.5 m，每排樁樁數(shù)16，樁距9 m，各主要構(gòu)件截面尺寸如圖所示。梁板區(qū)結(jié)構(gòu)伸縮縫3條，各結(jié)構(gòu)分段樁榀數(shù)5榀，總長45 m。梁、板、柱混凝土標(biāo)號C35，樁混凝土標(biāo)號C30。為滿足生產(chǎn)需要，碼頭運行管理部門對碼頭原裝卸工藝進(jìn)行了升級改造。原有裝卸工藝陸續(xù)拆除，已建及計劃中的新裝卸工藝如下：(1)已建103 t固定式螺旋自動卸船機(jī)：如圖2所示，卸船機(jī)位于碼頭上游泊位前方工作平臺，結(jié)構(gòu)整體橫跨于相鄰3#、4#縱梁近似跨中位置。卸船機(jī)自重103 t，混凝土實體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸長×寬×高=3.35 m(縱向)×3.6 m(橫向)×1.2 m(高)，基礎(chǔ)澆筑于原碼頭面。(2)計劃中(未建)180 t固定式螺旋自動卸船機(jī)：卸船機(jī)自重180 t，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸和建設(shè)位置未確定，需通過結(jié)構(gòu)安全評估進(jìn)行確定。

圖1　碼頭剖面圖

圖2　103 t 卸船機(jī)基礎(chǔ)位置示意圖

碼頭安全評估計算采用商業(yè)水工設(shè)計軟件進(jìn)行。依據(jù)的主要技術(shù)規(guī)范為文獻(xiàn)[7-10]。按照碼頭構(gòu)件實際結(jié)構(gòu)尺寸、地基條件，考慮單一結(jié)構(gòu)段5榀排架建立計算模型。

2裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估方法

通過碼頭現(xiàn)場實地調(diào)查、資料收集和實體結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測，顯示碼頭各構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸、強(qiáng)度等基本符合原設(shè)計情況，結(jié)構(gòu)實體未出現(xiàn)明顯病害現(xiàn)象，故本文結(jié)構(gòu)安全評估方法采用通用的基于結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核驗算法[4]。

2.1　裝卸工藝評估的特點

本文高樁框架式碼頭裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估具有明顯的自身特點，主要體現(xiàn)在以下三個方面。

(1)高樁框架式碼頭結(jié)構(gòu)的特點：碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件較多，包括面板、門機(jī)梁、縱梁、橫梁、連系梁、立柱和樁等；各構(gòu)件相互連接、相互影響，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，且各構(gòu)件的工作機(jī)制和結(jié)構(gòu)抗力區(qū)別較大；外荷載(如裝卸工藝)作用力大小、作用方式的差別對構(gòu)件受力和傳力方式影響較大。

(2)裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的特點：本文依托工程裝卸工藝為固定式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自重大，下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與碼頭面接觸面積有限，作用于碼頭結(jié)構(gòu)上的均布荷載較大。

(3)計算軟件的特點：本文采用的承載力復(fù)核計算軟件缺少在碼頭面上添加固定式裝卸工藝或局部均布荷載的功能，需通過荷載假定和簡化的方式在特定構(gòu)件上以附加荷載的形式進(jìn)行添加；采用此方法添加裝卸工藝荷載，需按受力構(gòu)件的最不利情況考慮，提高碼頭結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2　評估的基本原則

根據(jù)高樁框架式碼頭結(jié)構(gòu)、裝卸工藝和計算軟件等特點，裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估中選擇計算荷載組合、添加荷載方式、復(fù)核構(gòu)件承載力重點、裝卸工藝整改和建設(shè)位置比選思路等遵循以下基本原則：

(1)直接受裝卸工藝基礎(chǔ)作用碼頭構(gòu)件(直接受力構(gòu)件)承受的荷載較大，故需重點對其進(jìn)行承載力復(fù)核，當(dāng)直接受力構(gòu)件滿足承載力要求時，方才進(jìn)行其它非直接受力構(gòu)件復(fù)核。

(2)直接受力構(gòu)件受裝卸工藝自重影響相對較大，承載力復(fù)核按最簡單的荷載組合進(jìn)行：結(jié)構(gòu)自重+卸船機(jī)自重(包含基礎(chǔ)自重，下同)。

(3)非直接受力構(gòu)件受裝卸工藝自重影響相對較小，承載力復(fù)核按復(fù)合荷載組合進(jìn)行：結(jié)構(gòu)自重+卸船機(jī)自重(主導(dǎo)可變作用)+流動機(jī)械荷載(55 t重車)+船舶系纜力(或撞擊力)。

(4)為了使承載力復(fù)核結(jié)果更有利用結(jié)構(gòu)安全，計算過程中，直接受力構(gòu)件按完全承受裝卸工藝自重的不利情況考慮，荷載分項系數(shù)考慮為1.5。

(5)直接受力構(gòu)件如不滿足承載力要求，采用如下兩種裝卸工藝整改或位置比選思路：①卸船機(jī)基礎(chǔ)作用位置不變，減少卸船機(jī)自重；②改變卸船機(jī)基礎(chǔ)作用位置，將卸船機(jī)自重荷載直接作用于結(jié)構(gòu)抗力更大的構(gòu)件。

2.3　評估的基本流程

本文算例裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估的目的為：(1)對已建裝卸工藝的初始狀態(tài)進(jìn)行安全評估，如不滿足評估等級要求，需提出滿足要求的整改方案；(2)為未建裝卸工藝提出滿足評估等級要求的建設(shè)位置。具體需要達(dá)到的目標(biāo)如下：(1)已建103 t卸船機(jī)首先按初始狀態(tài)對結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評估分級，當(dāng)評估等級達(dá)不到A或B級時，結(jié)構(gòu)安全性不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)承載力已受到顯著或嚴(yán)重的影響，需及時或立即對裝卸工藝進(jìn)行整改，直到達(dá)到評估等級要求[2]。同時為了保證結(jié)構(gòu)具有足夠承載力，整改后結(jié)構(gòu)安全評估等級應(yīng)盡量達(dá)到A級。(2)為了保證新建裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有足夠承載力，未建(計劃中)180 t卸船機(jī)經(jīng)采用的比選方案結(jié)構(gòu)安全評估等級應(yīng)盡量達(dá)到A級。根據(jù)以上已建和未建裝卸工藝的結(jié)構(gòu)安全評估目標(biāo)，本文開展結(jié)構(gòu)安全評估的基本流程見圖3。

圖3　結(jié)構(gòu)安全評估基本流程圖

3裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估計算

3.1　已建103 t卸船機(jī)

3.1.1初始方案評估

已建卸船機(jī)初始狀態(tài)直接橫跨于3#、4#縱梁近似跨中位置，此二梁為直接受力構(gòu)件。卸船機(jī)自重荷載的添加方式如下：卸船機(jī)自重1 377.30 kN，按線荷載分別作用于3#、4#縱梁上，線荷載作用長度3.35 m，值205.57 kN/m。結(jié)構(gòu)承載力初步復(fù)核結(jié)果表明，除3#、4#縱梁跨中彎矩不滿足承載力要求外，其它非直接受力構(gòu)件承載力滿足要求。如表1所示，為初始方案中直接受力構(gòu)件極限跨中彎矩承載力復(fù)核結(jié)果。表中承載能力極限彎矩為荷載組合下構(gòu)件承受的作用效應(yīng)組合彎矩極值，抗彎承載能力為構(gòu)件現(xiàn)有截面尺寸和配筋情況下實際的結(jié)構(gòu)抗力(下同)。

表1　初始方案3#、4#縱梁彎矩承載力復(fù)核結(jié)果表

注：式中Rd、Sd分別為結(jié)構(gòu)抗力設(shè)計值和作用效應(yīng)組合值

從表中可知，初始方案中3#、4#縱梁跨中彎矩安全系數(shù)Rd/Sd分別為0.94和0.88，結(jié)構(gòu)安全評估等級分別為C級和D級，已嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)承載能力，需立即采取整改措施。

3.1.2整改方案評估

為保證碼頭結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)2.2節(jié)的整改思路，擬定如下兩個整改方案：整改方案一：卸船機(jī)基礎(chǔ)作用位置不變，自重減為1 174.72 kN，3#、4#縱梁上的線荷載減為175.33 kN/m，直接受力構(gòu)件仍為3#、4#縱梁；整改方案二：卸船機(jī)自重不變，卸船機(jī)作用位置平移至鄰近橫梁上，卸船機(jī)自重主要由橫梁承擔(dān)，橫梁上線荷載作用寬度3.6 m，值為382.58 kN/m，直接受力構(gòu)件為橫梁。如表2所示，為整改方案直接受力構(gòu)件極限彎矩承載力復(fù)核結(jié)果。

表2　整改方案直接受力構(gòu)件彎矩承載力復(fù)核結(jié)果表

從表中可知，整改方案一中隨著卸船機(jī)自重的減小，3#、4#縱梁承載能力極限彎矩隨之減小，跨中彎矩安全系數(shù)分別提高至1.08和1.01，結(jié)構(gòu)安全評估等級均達(dá)到了A級，滿足承載力要求，表明只有當(dāng)卸船機(jī)自重不超過117.5 t(1174.72 kN)時，卸船機(jī)布置于初始位置結(jié)構(gòu)才可達(dá)到結(jié)構(gòu)安全評估A級。整改方案二中由于橫梁結(jié)構(gòu)尺寸較大，截面配筋較多，結(jié)構(gòu)抗力較大，故在卸船機(jī)基礎(chǔ)平移至橫梁主要由其承受卸船機(jī)自重的情況下，橫梁跨中、支座的安全系數(shù)可分別達(dá)到1.50和1.84，安全評估等級均為A級，滿足彎矩承載力要求，且與整改方案一相比，結(jié)構(gòu)安全富余度更高。此外，整改方案一、二中其它梁、板、柱、樁非直接受力構(gòu)件安全評估等級均為A級，具有足夠承載力。

3.2　未建180 t卸船機(jī)

3.2.1比選方案擬定

新建卸船機(jī)建設(shè)位置的選擇由設(shè)備自身工作特性和碼頭結(jié)構(gòu)特點決定，根據(jù)3.1節(jié)安全評估計算結(jié)果，180 t卸船機(jī)建設(shè)位置比選方案的擬定遵循以下原則：(1)103 t卸船機(jī)初始方案中結(jié)構(gòu)承載力不滿足要求，荷載更大的180 t卸船機(jī)不考慮將橫跨縱梁跨中位置作為比選方案；(2)103 t卸船機(jī)整改方案二滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，180 t卸船機(jī)可考慮將基礎(chǔ)布置于橫梁作為比選方案；(3)為了減小卸船機(jī)自重對縱、橫梁的作用，考慮將180 t卸船機(jī)基礎(chǔ)布置于立柱正中作為比選方案，直接將荷載傳遞至樁基。

圖4　比選方案位置示意圖

卸船機(jī)自重180 t，參照103 t卸船機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸，新建卸船機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定為長×寬×高=3.75 m×3.75 m×1.2 m，自重40.5 t。根據(jù)以上卸船機(jī)位置比選的擬定原則，擬定如下兩個比選方案(如圖4所示)：(1)方案一：卸船機(jī)基礎(chǔ)橫向中軸布置于橫梁中心線，縱向中軸近似布置于前方承臺跨中。卸船機(jī)和基礎(chǔ)自重2 205.00 kN，基礎(chǔ)前后兩側(cè)橫跨于3#、4#縱梁上，計算時卸船機(jī)自重整體按橫梁受線荷載的不利情況考慮，線荷載長度3.75 m，值588.00 kN/m，直接受力構(gòu)件為橫梁。(2)方案二：卸船機(jī)基礎(chǔ)正中心作用于B樁中心，計算時同樣整體考慮由橫梁承受線荷載，線荷載長度3.75 m，值588.00 kN/m，直接受力構(gòu)件為橫梁和立柱。

3.2.2計算結(jié)果分析

比選方案一、二中結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核結(jié)果表明，除比選方案一橫梁跨中彎矩不滿足承載力要求外，其它構(gòu)件承載力均滿足要求。如表3、表4所示，分別為比選方案一、二橫梁跨中彎矩承載力和B樁豎向承載力的復(fù)核結(jié)果。

表3　比選方案橫梁彎矩承載力復(fù)核結(jié)果表

表4　比選方案B樁豎向承載力復(fù)核結(jié)果表

從表中可知，比選方案一中由于卸船機(jī)自重主要由橫梁直接承擔(dān)，跨中截面產(chǎn)生的極限彎矩較大，彎矩安全系數(shù)0.84，安全評估等級D級，不滿足彎矩承載力要求，B樁壓載安全系數(shù)2.31，滿足承載力要求。比選方案二中由于B樁替橫梁分擔(dān)了部分卸船機(jī)自重產(chǎn)生的荷載，故相較于比選方案一，橫梁產(chǎn)生的極限彎矩減少了37.08%，B樁豎向承載力增加了35.57%，彎矩安全系數(shù)提高至1.33，B樁壓載安全系數(shù)減小至1.71，安全評估等級均為A級，滿足承載力要求。為了保證碼頭結(jié)構(gòu)安全，180 t卸船機(jī)建設(shè)位置應(yīng)選擇比選方案二。

4結(jié)語

(1)本文依托算例現(xiàn)場調(diào)查檢測結(jié)果，以碼頭通用結(jié)構(gòu)安全評估方法為基礎(chǔ)，同時結(jié)合高樁碼頭結(jié)構(gòu)、裝卸工藝和計算軟件等自身特點，提出了一套實用、簡明的高樁碼頭裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估方法，可為高樁碼頭已建裝卸工藝整改和未建裝卸工藝建設(shè)位置比選提供有效的分析方法。

(2)已建103 t卸船機(jī)在現(xiàn)有建設(shè)位置下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全評估等級D級，不符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，需立即采取整改措施。本文提出兩個整改方案，結(jié)構(gòu)安全評估等級均可達(dá)到A級。改變卸船機(jī)位置整改方案與減小卸船機(jī)自重整改方案相比，結(jié)構(gòu)安全富裕度更高，建議已建103 t卸船機(jī)采用此方案進(jìn)行整改。

(3)未建180 t卸船機(jī)選擇建設(shè)在B柱正中位置，B柱直接承擔(dān)了部分卸船機(jī)自重荷載，減小了縱、橫梁的作用效應(yīng)組合值，結(jié)構(gòu)安全評估等級可達(dá)到A級，且具有一定的安全富裕度，推薦180 t卸船機(jī)采用此方案進(jìn)行建設(shè)。

(4)本文研究成果可直接為依托算例工程裝卸工藝升級改造提供依據(jù)，同時還可為類似工程裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全評估提供參考。

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Discussions on Infrastructure Safety Assessment Method for Loading and Unloading Technology of High-pile Wharf

HU Shi-long，LIU Le-ping，ZHANG Jian-qiu，TANG Jin-ping

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：Relying on loading & unloading technology upgrading project of a high-pile wharf，based on general structural safety assessment methods，and combined with high-pile wharf structure，loading and unloading technology，computing and other features，this article put forward a set of practical and con-cise infrastructure safety assessment methods for loading and unloading processes of high-pile wharf.As shown by engineering assessment examples，the initial assessment level for the infrastructure of completed ship unloader is Level D，but after moving the ship unloader base position to the adjacent beams，its structural assessment level can reach Level A，thus it is recommended to use this program for unloader rectification；when the construction place of un-built ship unloader is located in the middle of columns，its structural assessment level can reach Level A，the unloader shall use this program for con-struction.The research results can provide the basis for this project and provide the reference for similar projects.

Keywords：Hydraulic structure；High-pile wharf；Loading and unloading technology；Assessment；Safety；Method

文章編號：1673-4874(2015)12-0074-06

中圖分類號：U656.1+13

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.12.017

作者簡介

收稿日期：2015-11-19 2015-11-10