港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王宇春

【摘 要】 為保證港口碼頭工程建設(shè)的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，合理的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。結(jié)合工程實(shí)例，通過對(duì)影響港口碼頭工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素的研究，認(rèn)為港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)可靠性、服務(wù)年限、耐久性、加固設(shè)計(jì)等因素，以確保港口碼頭工程質(zhì)量，更好地為航運(yùn)服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】 港口碼頭;工程結(jié)構(gòu);耐久性;可靠度

0 引 言

港口碼頭工程的結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，直接關(guān)系到港口碼頭的服務(wù)能力和安全。港口碼頭工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量若無法得到保障，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，造成港口碼頭的服務(wù)能力不足，最終導(dǎo)致港口碼頭出現(xiàn)安全問題。為解決港口碼頭工程結(jié)構(gòu)的安全問題，本文結(jié)合工程實(shí)例，開展港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究。

1 工程概況

某港口碼頭工程概況：可利用岸線長度為300～400 m;港口區(qū)域年平均氣溫為22.2 ℃，最高氣溫為;年平均降水量為 mm，日最大降水量為337.9 mm，降雨主要集中在6―9月份，日降水量大于25 mm的天數(shù)年平均為27天;最大風(fēng)速為36 m/s。

現(xiàn)擬建設(shè)3個(gè)泊位，設(shè)計(jì)通過能力為250萬t，陸域縱深350 m，碼頭面頂高程5.8 m，底高程2.0 m。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇梁板式高樁結(jié)構(gòu)，并采用寬樁臺(tái)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)荷載包括永久作用和可變作用。

2 港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

按照ISO 2394標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)將從結(jié)構(gòu)施工至后續(xù)服務(wù)中的環(huán)境條件因素納入設(shè)計(jì)考慮之中。結(jié)構(gòu)的任何一個(gè)狀況都能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)，為降低表征結(jié)構(gòu)失效后的安全問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合具體情況，考慮相應(yīng)的變量設(shè)計(jì)和可靠度驗(yàn)算等方法。

結(jié)合工程實(shí)例分析，得出以下結(jié)論：

（1）在正常使用情況下，港口碼頭工程結(jié)構(gòu)的持久性與服務(wù)年限具有關(guān)聯(lián)性;

（2）港口碼頭工程結(jié)構(gòu)包括短暫狀態(tài)和異常狀態(tài)。短暫狀態(tài)如港口碼頭工程結(jié)構(gòu)的短期維護(hù)中結(jié)構(gòu)暴露或使用。異常狀態(tài)是港口碼頭營運(yùn)過程中常見的問題，發(fā)生事故的概率相對(duì)較低。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限與設(shè)計(jì)狀況有關(guān)。短暫狀態(tài)下可以按照極限承載力設(shè)計(jì)的方式，異常狀態(tài)下應(yīng)按照正常使用的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略應(yīng)考慮以下4個(gè)方面的因素，以確保港口碼頭工程結(jié)構(gòu)的安全性。

2.1 結(jié)構(gòu)功能的可靠性

港口碼頭工程結(jié)構(gòu)功能的可靠性應(yīng)達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）能安全承受碼頭施工期間和碼頭使用期間可能出現(xiàn)的各種作用力;（2）正常營運(yùn)狀態(tài)下，通過維護(hù)作業(yè)可保證結(jié)構(gòu)的可靠性;（3）正常營運(yùn)狀態(tài)下，碼頭結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好耐久性;（4）事故發(fā)生時(shí)，碼頭結(jié)構(gòu)應(yīng)保持穩(wěn)定，不至于損壞。

結(jié)構(gòu)的可靠性可用可靠度進(jìn)行描述，上述功能中（2）（3）項(xiàng)為可靠度描述。結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過軟件模擬對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保承載能力，尤其是極限承載能力必須符合標(biāo)準(zhǔn)，以使結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下能夠正常使用而不發(fā)生損壞，從而保證結(jié)構(gòu)功能的可靠性。

2.2 合理的服務(wù)年限

港口碼頭工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重視其服務(wù)年限的設(shè)計(jì)。服務(wù)年限的長短與結(jié)構(gòu)可靠性和安全性直接相關(guān)。我國在對(duì)港口碼頭工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制中，針對(duì)行業(yè)內(nèi)沒有明確的設(shè)計(jì)服務(wù)年限規(guī)定的情況，明確要求在設(shè)計(jì)文件中標(biāo)注服務(wù)年限，以保證結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性等在服務(wù)年限內(nèi)符合要求。港口碼頭環(huán)境復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性影響較大，在設(shè)計(jì)中必須考慮結(jié)構(gòu)耐久性。實(shí)例中的港口碼頭將服務(wù)年限設(shè)定為50年，并采取相關(guān)防腐措施以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耐久性，保證其在港口服務(wù)年限內(nèi)的可靠性。

2.3 結(jié)構(gòu)功能的耐久性

航運(yùn)業(yè)的發(fā)展對(duì)港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為滿足船舶大型化和專業(yè)化的需求，需要不斷對(duì)港口碼頭工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。在重力式碼頭設(shè)計(jì)上，采用開孔消浪沉箱和大直徑薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等型式，并輔以爆炸夯實(shí)基礎(chǔ)的新技術(shù);在防波堤和導(dǎo)堤設(shè)計(jì)上，將新材料應(yīng)用于斜坡堤的護(hù)面塊體、寬肩臺(tái)式拋石堤等處，以保護(hù)堤壩的生態(tài)環(huán)境。[1]

港口碼頭在運(yùn)營過程中，對(duì)碼頭工程結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響的因素主要是荷載和自然環(huán)境等，如果不能有效控制這些因素，則會(huì)對(duì)港口碼頭工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。荷載對(duì)港口碼頭工程結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生直接影響;自然環(huán)境對(duì)港口碼頭工程結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生直接影響。自然環(huán)境因素對(duì)港口碼頭工程結(jié)構(gòu)造成侵蝕損壞的過程極其緩慢而不易察覺，如果在港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)忽視自然環(huán)境因素，則會(huì)產(chǎn)生安全隱患。

耐久性設(shè)計(jì)的目的是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的可靠性，避免在服務(wù)年限內(nèi)在結(jié)構(gòu)功能可靠性方面出現(xiàn)問題。海洋環(huán)境中的海水、大氣中所富含的鹽類物質(zhì)對(duì)港口碼頭工程結(jié)構(gòu)具有明顯的腐蝕作用，影響結(jié)構(gòu)的可靠性，最終使結(jié)構(gòu)耐久性降低，產(chǎn)生安全隱患?；炷两Y(jié)構(gòu)是港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常采用的結(jié)構(gòu)，也是容易發(fā)生結(jié)構(gòu)功能耐久性問題的部分。以混凝土結(jié)構(gòu)功能耐久性為例。

在海洋環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)不同部位受侵蝕情況。

可通過采用高性能混凝土等措施最大限度增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量，以混凝土低滲透性減輕環(huán)境介質(zhì)侵蝕，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。高性能混凝土的應(yīng)用見表1。

鋼筋結(jié)構(gòu)易受到腐蝕，補(bǔ)充隔離保護(hù)措施有：（1）涂施保護(hù)層，即預(yù)先處理混凝土表面，清除表面雜物，按照規(guī)范均勻涂施底漆，然后進(jìn)行膩?zhàn)印⒅型?、面涂等施?（2）外加電源或犧牲陽極陰極保護(hù)法，配合電化學(xué)法和物理方法。[2]

影響港口碼頭工程結(jié)構(gòu)耐久性的其他因素還包括施工材料、施工過程、施工質(zhì)量等，如果未采取全面的質(zhì)量控制措施，也會(huì)產(chǎn)生安全隱患。

為實(shí)現(xiàn)港口碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口碼頭工程結(jié)構(gòu)耐久度的控制，應(yīng)綜合考慮上述多種因素。[3]

2.4 工程結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

在港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)，以避免碼頭在運(yùn)營過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不堅(jiān)固的問題，綜合提升結(jié)構(gòu)可靠性。實(shí)例工程結(jié)構(gòu)選用施工簡單、物理力學(xué)性能良好的碳纖維布加固方式。

碳纖維布加固是使用黏合劑將碳纖維布粘貼于塑性較強(qiáng)的鋼筋上，充分發(fā)揮碳纖維布的高強(qiáng)性能優(yōu)勢(shì)，達(dá)到加固的目的。[4]

3 港口碼頭工程結(jié)構(gòu)可靠度分析

在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可采用以下幾種可靠度分析方法：

（1）一次二階矩法。這種方法只需考慮泰勒公式展開的功能函數(shù)一次項(xiàng)、常數(shù)項(xiàng)等因素，且可以保障隨機(jī)變量的獨(dú)立性。這種計(jì)算方法簡單易行，在工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

（2）二次二階矩法。這種方法能夠優(yōu)化一次二階矩法。二次二階矩法考慮交換項(xiàng)和隨機(jī)變量的二次變換項(xiàng)等因素。這種方法能夠完成對(duì)可靠度的分析，但實(shí)際應(yīng)用中存在計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)，效果不夠理想，需要進(jìn)一步完善。

（3）響應(yīng)面法。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的完善和有限元軟件的開發(fā)利用，為結(jié)構(gòu)可靠度分析提供了新方法。當(dāng)極限狀態(tài)方程數(shù)目大于1時(shí)，如果采用迭代法進(jìn)行求解，則會(huì)增加計(jì)算的難度。使用響應(yīng)面法時(shí)，假設(shè)一些基本變量與未知變量的關(guān)系表達(dá)，再進(jìn)行未知參量的計(jì)算，不僅能完成可靠度分析，而且還能確保計(jì)算精度。

4 結(jié) 語

港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到港口碼頭的服務(wù)能力和安全性。本文對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行分析，認(rèn)為合理的港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注重碼頭結(jié)構(gòu)功能的可靠性、服務(wù)年限、耐久性、牢固性等因素，以保障港口碼頭建設(shè)質(zhì)量，更好地服務(wù)航運(yùn)業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉曉鋒，黃平華.港口重力式碼頭的工程建設(shè)研究[J].中國水運(yùn)，2017（8）：51-52.

[2] 牛曉丹，沈奕.港口堆場(chǎng)混凝土鋪面基層和面層的合理配置[J].中國水運(yùn)（下半月），2017（7）：321-322.

[3] 閻新彬.港口碼頭工程的施工技術(shù)淺述[J].中國水運(yùn)，2018（6）：70-71.

[4] 靳飛騰.港口碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的策略研究[J].工程技術(shù)， 2016（11）：87.