鋼簇樁在內(nèi)河碼頭加固改造中的應(yīng)用

陳明偉　姚迪

【摘 要】 為滿足大型運(yùn)輸船舶的靠泊要求，通過分析柔性系靠船鋼簇樁在馬鞍山二電廠碼頭加固改造中工程的應(yīng)用，結(jié)合工程實(shí)際情況分析內(nèi)河碼頭中應(yīng)用鋼簇樁方案的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)施后實(shí)際運(yùn)行情況反饋對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，采用系靠船鋼簇樁方案可滿足不同船型和系纜的要求，為今后類似的改造工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】 柔性系靠船簇樁；加固改造；鋼管樁

0 引 言

近年來，船舶進(jìn)一步向?qū)I(yè)化、大型化及節(jié)能化方向發(fā)展。大宗散雜貨船在海運(yùn)船隊(duì)中的數(shù)量不斷增加，載重噸位記錄不斷被刷新，船舶大型化已成為航運(yùn)界的發(fā)展趨勢(shì)。進(jìn)入長(zhǎng)江下游各港的船舶向大型化發(fā)展的趨勢(shì)日趨明顯，而出于水運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的考慮，采用的實(shí)船也朝著大型化的趨勢(shì)發(fā)展。隨著長(zhǎng)江口整治工程的深入開展，長(zhǎng)江12.5 m深水航道二期工程及長(zhǎng)江干線航道網(wǎng)規(guī)劃的實(shí)施，內(nèi)河碼頭靠泊船舶也越來越大型化，很多碼頭已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有運(yùn)輸船舶的停泊需求。

隨著長(zhǎng)江岸線的不斷開發(fā)利用，長(zhǎng)江岸線資源日趨緊張，可供建設(shè)的深水岸線資源日益稀缺。因此，對(duì)原有水深條件好、等級(jí)較低的泊位進(jìn)行加固改造以適應(yīng)大型船舶靠泊，是提高岸線資源利用率的有效而快捷的方法。同時(shí)，對(duì)原碼頭進(jìn)行加固改造的費(fèi)用遠(yuǎn)小于新建泊位的費(fèi)用，可以減少企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

鋼簇樁主要是為船舶的停泊、系纜服務(wù)，以承受水平荷載為主。鋼簇樁不僅柔性好，能承受較大幅度的變形，而且能較好地吸收船舶的撞擊能量，大大減小撞擊力。在沿海碼頭中，鋼簇樁可同時(shí)用于系纜和靠船且應(yīng)用較多，但在內(nèi)河碼頭中由于內(nèi)河水位落差較大，主要為船舶靠泊使用。鋼簇樁為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，對(duì)于系纜來說，由于水位落差大，頂部變位較大，多層系纜上下不便且存在嚴(yán)重安全隱患，在內(nèi)河中較少采用。本工程充分考慮原碼頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將鋼簇樁的靠泊和系纜功能結(jié)合為一體。

1 工程概況

馬鞍山二電廠進(jìn)口煤碼頭于1994年完成建設(shè)，設(shè)計(jì)年運(yùn)量360萬t，設(shè)計(jì)年通過能力464萬t。碼頭平臺(tái)尺度長(zhǎng)287.7 m €卓？4.5 m，為3個(gè)3 000 噸級(jí)分節(jié)駁泊位（結(jié)構(gòu)兼顧5 000噸級(jí)分節(jié)駁）。碼頭上原配置有6臺(tái)橋式抓斗卸船機(jī)，額定起重量為10.5 t，有效懸臂長(zhǎng)16.8 m。2012年業(yè)主完成了其中3臺(tái)卸船機(jī)的改造，在前橋架端頭增長(zhǎng)4.5 m，有效懸臂由原來的16.8 m改造為21.0 m。碼頭平臺(tái)為高樁框架式結(jié)構(gòu)，共42榀排架，排架間距7.0 m；每榀排架下布置5根600 mm €？600 mm預(yù)應(yīng)力砼方樁，其中為一對(duì)叉樁；上部結(jié)構(gòu)由預(yù)制框架、現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制軌道梁、預(yù)制前邊梁、預(yù)制空心板，以及現(xiàn)澆砼面層等組成。碼頭前沿設(shè)置DA-A300H橡膠護(hù)舷，碼頭平臺(tái)和二層系纜平臺(tái)上設(shè)置250 kN系船柱。碼頭通過4座引橋與后方陸域連接。

根據(jù)來船數(shù)量統(tǒng)計(jì)和貨源分析，為滿足大型運(yùn)輸船舶的靠泊要求，擬對(duì)碼頭平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固升級(jí)改造，使其滿足2個(gè)5 000噸級(jí)散貨船靠泊。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

在碼頭加固改造前，先對(duì)原有碼頭的外觀、結(jié)構(gòu)整體變形、構(gòu)件連接、混凝土結(jié)構(gòu)，以及附屬設(shè)施等各項(xiàng)進(jìn)行檢測(cè)，以評(píng)價(jià)原碼頭的安全可靠性；最后根據(jù)檢測(cè)評(píng)估報(bào)告進(jìn)行碼頭復(fù)核。90年代設(shè)計(jì)的碼頭多選用600 mm €？600 mm方樁作為樁基礎(chǔ)，且經(jīng)過30年的使用周期，原樁基的結(jié)構(gòu)性能均大大降低。原碼頭靠泊按5 000噸級(jí)散貨船舶進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，發(fā)現(xiàn)樁基承載力和自身強(qiáng)度都不能滿足要求。結(jié)合本工程周邊碼頭情況（即距離碼頭下游40 m處新建碼頭前沿線比本工程前沿線向江側(cè)推移了6.9 m），內(nèi)河碼頭等級(jí)不高，?？啃⌒痛拜^多，加固改造應(yīng)考慮靠船簇樁成面，方便不同噸級(jí)的船舶靠泊。經(jīng)綜合分析，并對(duì)本工程多種加固改造方案進(jìn)行比選，具體方案見表1。

根據(jù)本工程實(shí)際情況，電廠每天消耗1萬t燃煤，堆場(chǎng)內(nèi)僅能存儲(chǔ)煤炭約10萬t，碼頭在改造期間僅能短時(shí)間停止運(yùn)營(yíng)，勢(shì)必要求本工程的改造施工周期短、進(jìn)度快；加之鑒于業(yè)主原改造的有效懸臂為21.0 m卸船機(jī)可滿足第一方案碼頭前沿線外移后裝卸作業(yè)要求，綜合考慮采用在碼頭前沿增設(shè)系靠船簇樁方案。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程為散貨卸船碼頭，設(shè)計(jì)船型為5 000噸級(jí)散貨船，工程處水位落差達(dá)9 m，一般需要設(shè)計(jì)2～3層系纜及靠船平臺(tái)，需單獨(dú)在鋼簇樁上設(shè)置上下鋼爬梯。但是，鋼簇樁下端嵌入土中，上端在較多情況下為自由狀態(tài)，當(dāng)靠船時(shí)，除橡膠護(hù)舷變形吸收一部分能量外，還需利用鋼管樁的水平變形抵消船舶的撞擊能量。船舶撞擊或系纜時(shí)會(huì)導(dǎo)致頂部產(chǎn)生較大變位，因此，在上下鋼爬梯時(shí)存在嚴(yán)重的安全隱患。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮利用原碼頭二層系纜平臺(tái)通道作為鋼簇樁二層系纜通道，保持二層系纜平臺(tái)與原碼頭二層系纜平臺(tái)相同的高程；同時(shí)避免下懸臂端過長(zhǎng)，在其下設(shè)1個(gè)支持平臺(tái)，共3層平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

鋼簇樁的設(shè)計(jì)計(jì)算主要考慮其吸能量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。

2.2.1 吸能量

吸能量（E）由簇樁上的橡膠護(hù)舷吸能（E護(hù)）和簇樁吸能（E樁）組成，E=E護(hù) + E樁>E0 （E0為船舶靠泊時(shí)撞擊能量），其中E樁=EP1 + EP2 。

EP1為護(hù)舷反力P1及撞擊力沿碼頭長(zhǎng)度方向分力P2所產(chǎn)生的應(yīng)變能，計(jì)算如下：

EP1=2

式中：EP為彈性模量；IP為慣性矩；L為樁頂?shù)侥嗝娴木嚯x。

EP2為撞擊力沿碼頭長(zhǎng)度方向分力P2作用下樁扭動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)變能，計(jì)算如下：

EP2=

式中：MT為P2作用下產(chǎn)生的扭矩；GP為剪切模量；JP為極慣性矩。

2.2.2 簇樁強(qiáng)度

法向應(yīng)力： =

剪應(yīng)力： = 1 + 2

其中： 1=， 2=2

折算應(yīng)力：<1.1 f

式中：MP為樁身彎矩，為樁身扭矩；Wn為樁身變彎截面抵抗矩，WT為樁身受扭截面抵抗矩；f為樁身抗彎強(qiáng)度，fv為樁身抗剪強(qiáng)度；V為剪力；AP為樁身截面。

2.2.3 樁頂位移

樁頂位移： D=

式中：LP為靠船簇樁平臺(tái)到原水工建筑物的距離與簇樁允許最大變位兩者中的最小值；P為作用在樁上的合力；l為撞擊力作用點(diǎn)至嵌固點(diǎn)距離。

經(jīng)過計(jì)算，應(yīng)采用直徑為1.6 m的鋼管樁，壁厚為30 mm （在距離頂部10 m和底部6 m范圍內(nèi)壁厚為25 mm），樁長(zhǎng)為38 m。同時(shí)，泥面附近段在鋼管樁內(nèi)灌注C25砼。系纜平臺(tái)寬度為2.7 m，平臺(tái)外側(cè)設(shè)置鋼靠船構(gòu)件。為降低平臺(tái)在水平力作用下的扭轉(zhuǎn)，系纜平臺(tái)底部增設(shè)抗扭臂。頂層和二層平臺(tái)上設(shè)置1個(gè)450 kN系船柱，與碼頭平臺(tái)之間通過活動(dòng)搭接板連接。系靠船樁前沿配置DA-A500H橡膠護(hù)舷（低反力型）。系靠船簇樁結(jié)構(gòu)見圖1。

2.3 實(shí)施過程

本工程系靠船簇樁設(shè)置碼頭前沿，其結(jié)構(gòu)為鋼管樁、鋼靠船平臺(tái)及靠船立柱組成，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。施工作業(yè)主要為鋼管樁的沉樁、裝卸平臺(tái)和靠船立柱的拼裝焊接工作?？看b卸平臺(tái)和靠船立柱在岸上拼裝，待鋼管樁沉樁到位后進(jìn)行整體吊裝焊接。鋼管樁沉樁采用D128柴油錘進(jìn)行沉樁，均按設(shè)計(jì)沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。本工程工期要求較緊，要求沉樁結(jié)束后能夠快速安裝平臺(tái)形成簡(jiǎn)單的靠泊能力。綜合考慮，先在陸上加工鋼平臺(tái)，待鋼管樁沉樁到位后測(cè)量實(shí)際樁位，根據(jù)實(shí)際樁位進(jìn)行平臺(tái)孔洞的開設(shè)，再進(jìn)行整體吊裝平臺(tái)焊接，三層平臺(tái)按照從下往上依次安裝焊接，最后進(jìn)行吊裝靠船立柱的焊接。采用本方法可大大加快施工速度，整個(gè)施工作業(yè)在4個(gè)月內(nèi)全部完成并投入使用。船舶靠泊鋼簇樁及船舶系纜鋼簇樁使用情況見圖2和圖3。

2.4 使用情況反饋和優(yōu)化設(shè)計(jì)

從碼頭投入使用過程中反饋的信息看，一些在設(shè)計(jì)中未能考慮到的問題，主要表現(xiàn)為原橡膠護(hù)舷之間存在斜缺口，船舶在裝卸過程中由于水位的變化和船舶貨物重量的變化，船舷在沿靠船立柱上下的過程中容易與橡膠護(hù)舷斜缺口刮碰，從而損壞護(hù)舷；為使樁基受撞擊時(shí)不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用，在設(shè)計(jì)中考慮靠船裝卸平臺(tái)與樁之間留有20 mm空隙，在船舶靠泊時(shí)撞擊聲音較響。

根據(jù)實(shí)際使用情況的反饋，改進(jìn)方法為：橡膠護(hù)舷采用直型護(hù)舷，并縮小相鄰護(hù)舷間距，可解除船舶與護(hù)舷的刮碰問題。在鋼平臺(tái)和樁側(cè)面設(shè)置橡膠墊，既減輕撞擊而產(chǎn)生的聲音，還起到緩沖作用。

3 結(jié) 語

本工程結(jié)合本區(qū)域的水位情況，采用鋼簇樁同時(shí)滿足系纜和靠船需要，簇樁20 m間距布置合理，結(jié)構(gòu)安全且施工快捷，在使用中船舶靠泊和系纜較好，并為設(shè)計(jì)提供較好的反饋意見。可見，本工程加固改造采用系靠船簇樁方案是經(jīng)濟(jì)、合理、可行的。

（1）采用較少的工程投資和快捷的方法解決碼頭升級(jí)?？看笮痛暗膯栴}，在未破壞原碼頭結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還減少了原碼頭的外荷載，延長(zhǎng)了原碼頭的使用壽命。

（2）系靠船簇樁在使用過程中頂部變位均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，間距布置合理，可滿足不同船型的靠泊和系纜要求。

（3）根據(jù)實(shí)際使用情況的反饋，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，為今后類似鋼簇樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供較好的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉前云，夏曉喻，劉雙全.碼頭加固改造中幾種方案的分析與討論[J].中國(guó)水運(yùn)，2014（5）：298-299.