高樁墩式碼頭結(jié)構(gòu)在開敞水域的適用性

凌霄

【摘 要】 為分析高樁墩式碼頭上部結(jié)構(gòu)的波浪受力特性，采用不同的波浪水平力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，考慮碼頭上部結(jié)構(gòu)反射系數(shù)的計(jì)算方法更合理，同時(shí)對(duì)高樁墩式碼頭結(jié)構(gòu)方案與高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比選，高樁墩式碼頭結(jié)構(gòu)因其良好的波浪受力特性和系纜裝卸便利性，適用于開敞水域的碼頭平臺(tái)建設(shè)。

【關(guān)鍵詞】 高樁墩式碼頭結(jié)構(gòu);高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu);波浪水平力;結(jié)構(gòu)反射系數(shù)

0 引 言

港口作為水陸聯(lián)運(yùn)的節(jié)點(diǎn)，近年來為國(guó)家“一帶一路”建設(shè)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。外海波浪較大是制約碼頭建設(shè)朝深水化、大型化發(fā)展的關(guān)鍵因素，尤其是當(dāng)碼頭前沿頂高程較低時(shí)，在波浪水平力及浮托力的共同作用下，碼頭結(jié)構(gòu)受損時(shí)有發(fā)生。碼頭結(jié)構(gòu)及碼頭前沿頂高程的確定，不僅涉及結(jié)構(gòu)安全，而且影響工程投資。文章結(jié)合工程中遇到的碼頭結(jié)構(gòu)選型問題，分析波浪較大時(shí)高樁墩式結(jié)構(gòu)的適用性。

1 工程概況

1.1 地理位置

本工程位于興化灣北岸江陰半島，地處福清市江陰鎮(zhèn)壁頭村西南側(cè)海域，西側(cè)緊鄰江陰港區(qū)1號(hào)集裝箱碼頭，為規(guī)劃的江陰港區(qū)壁頭作業(yè)區(qū)14號(hào)泊位工程。興化灣從東北向的牛頭尾到西南石城三面環(huán)山，東南向由興化水道及南日水道與臺(tái)灣海峽相通，口門外有南日群島作為屏障。擬建項(xiàng)目地理位置見圖1。

1.2 建設(shè)規(guī)模

本工程規(guī)劃建設(shè)5萬噸級(jí)集裝箱泊位1個(gè)（水工結(jié)構(gòu)按可靠泊10萬噸級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)），近期按10萬噸級(jí)通用散雜貨泊位使用，泊位長(zhǎng)度325 m，年設(shè)計(jì)通過能力236萬t。

1.3 水文地質(zhì)條件

（1）設(shè)計(jì)水位（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫簶O端高水位8.58 m，設(shè)計(jì)高水位7.45 m，設(shè)計(jì)低水位0.69 m，極端低水位 0.51 m。

（2）波浪：碼頭前沿線近似呈東西走向。根據(jù)平海及平潭站風(fēng)速、波浪資料推算，強(qiáng)浪向?yàn)闁|南或東南偏東向。工程設(shè)計(jì)波浪要素見表1。

（3）地質(zhì)：場(chǎng)地內(nèi)地層自上而下分布有淤泥、 淤泥混砂、中砂混淤泥、中砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

2 碼頭結(jié)構(gòu)選型

目前圍填海政策管控嚴(yán)格，實(shí)施填海審批難度較大。為避免造成岸線資源浪費(fèi)，碼頭建設(shè)需采用透空式結(jié)構(gòu)。海港工程中常見的透空式結(jié)構(gòu)有高樁梁板式、高樁無梁板式及高樁墩式，其中高樁墩式結(jié)構(gòu)由靠船墩、系船墩、工作平臺(tái)組成，工作平臺(tái)多采用高樁梁板結(jié)構(gòu)。

工程設(shè)計(jì)中碼頭前沿頂高程需同時(shí)滿足上水控制標(biāo)準(zhǔn)與上部結(jié)構(gòu)受力控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。受力控制標(biāo)準(zhǔn)是碼頭結(jié)構(gòu)在波浪作用下根據(jù)受力安全要求設(shè)定的碼頭前沿頂高程控制標(biāo)準(zhǔn)，也是碼頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與設(shè)定的波浪條件互相適應(yīng)和妥協(xié)的結(jié)果。本工程按上部結(jié)構(gòu)不受力計(jì)算出碼頭面高程為+11.2 m，而相鄰已建1號(hào)集裝箱碼頭為重力式結(jié)構(gòu)，碼頭面高程為+9.5 m，兩碼頭面之間存在高差不便于一體化經(jīng)營(yíng)。若考慮上部結(jié)構(gòu)受力而降低碼頭面高程時(shí)，波浪力水平力及浮托力又增大明顯。高樁碼頭在波浪作用下，通常梁先產(chǎn)生裂紋。[1] 面板等細(xì)薄構(gòu)件在波浪和汽車荷載往復(fù)作用下極易發(fā)生疲勞破壞，且梁格的存在使得碼頭上部結(jié)構(gòu)受到的浮托力明顯大于相同條件下平板的浮托力。[2]? 參考國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例，結(jié)合高樁碼頭結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，通過加強(qiáng)碼頭上部結(jié)構(gòu)以降低碼頭面高程往往并不經(jīng)濟(jì);因此，波浪較大時(shí)可考慮采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，既降低碼頭面高程，又避免梁格對(duì)碼頭上部結(jié)構(gòu)波浪浮托力的放大效應(yīng)，兼具實(shí)體結(jié)構(gòu)抗浪性良好的優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)多方案比選論證，碼頭擬采用高樁墩式結(jié)構(gòu)。墩臺(tái)厚3 m，平面尺寸為正方形（邊長(zhǎng)37 m），樁基采用直徑1.5 m的灌注樁，樁間距5.5 m，樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖，樁端進(jìn)入持力層不少于6 m。

3 結(jié)構(gòu)波浪力計(jì)算

根據(jù)計(jì)算，墩臺(tái)底部所受波浪浮托力為樁基抗拔力控制荷載，其作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值小于結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的穩(wěn)定作用;而墩臺(tái)側(cè)面所受波浪水平力為樁基彎矩控制荷載。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)合理確定墩臺(tái)頂面高程及迎波面厚度。

3.1 計(jì)算方法

目前相關(guān)規(guī)范及手冊(cè)對(duì)作用在高樁墩式碼頭上的波浪水平力計(jì)算公式均未作出說明。作用在高樁梁板式碼頭上的波浪水平力，可參考《海港碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》的計(jì)算方法。[3] 作用在結(jié)構(gòu)立面上的波浪力由動(dòng)水壓力和靜水壓力兩部分組成，算式如下：

式中：為水的密度，t/m3; g為重力加速度，一般取9.8 m/s2; h為靜水面至波面的高度，m;v為水質(zhì)點(diǎn)軌道水平運(yùn)動(dòng)的水平分速度，; 為建筑物所在處行進(jìn)波高，m; l為波長(zhǎng)，m;T為周期，s; d為水深，m; z為計(jì)算點(diǎn)在靜水面以下的深度（水面以上均取z=0）， m; x為波面點(diǎn)至波峰頂?shù)乃骄嚯x，m。

這種計(jì)算方法假定樁基透空式碼頭波浪反射可忽略，波浪反射系數(shù)取0。根據(jù)波浪理論，當(dāng)波浪橫向入射時(shí)，如果碼頭長(zhǎng)度達(dá)到1倍波長(zhǎng)時(shí)，碼頭前形成立波，此時(shí)反射系數(shù)應(yīng)取1.0。當(dāng)樁基透空式碼頭上部結(jié)構(gòu)迎波面阻水面積較大（高樁墩式），其波浪反射系數(shù)不能忽略時(shí)，如仍按反射系數(shù)0取值進(jìn)行計(jì)算，則與實(shí)際情況存在較大偏差?！逗８劭傮w設(shè)計(jì)規(guī)范》[4] 對(duì)上部結(jié)構(gòu)阻水較大的樁基透空式碼頭前沿波浪反射系數(shù)給出了參考計(jì)算公式：

式中：n為波浪反射系數(shù);k為波數(shù);h0為按行進(jìn)波計(jì)算的波峰面高度，m;h1為上部結(jié)構(gòu)入水深度，m。

針對(duì)大尺度方形或矩形柱體上波浪力，可折算直徑后按圓形柱體上的波浪力計(jì)算。

針對(duì)本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬對(duì)高樁墩式碼頭上部結(jié)構(gòu)分別按動(dòng)水壓力加靜水壓力、考慮上部結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)、將其簡(jiǎn)化為直墻式建筑物、將其假定為大尺度墩柱等4種方法進(jìn)行計(jì)算。

為便于比較，統(tǒng)一采用極端高水位時(shí)波浪對(duì)應(yīng)不同的水位進(jìn)行計(jì)算。不同計(jì)算方法下波浪水平力的分布見圖3。

3.2 結(jié)果分析

（1）從圖3可以看出，上部結(jié)構(gòu)受到的波浪水平力均隨著水位的降低而減小。大尺度墩柱模式的計(jì)算結(jié)果明顯高于另外3種方法。這是由于將墩式結(jié)構(gòu)考慮成從墩頂?shù)侥嗝娴呢Q向阻水?dāng)嗝?，忽略了樁基的透水作用，因此該方法不宜用作高樁墩式結(jié)構(gòu)波浪水平力的計(jì)算。

（2）墻前形成立波的計(jì)算方法是考慮上部結(jié)構(gòu)反射系數(shù)取1.0的理想狀態(tài)，實(shí)際反射系數(shù)與上部結(jié)構(gòu)入水深度及波數(shù)等相關(guān)。當(dāng)水位設(shè)置在+6.5 m以下時(shí)，考慮上部結(jié)構(gòu)反射系數(shù)方法的計(jì)算結(jié)果與動(dòng)水壓力加靜水壓力方法的計(jì)算結(jié)果比較接近，說明此時(shí)反射系數(shù)較小。

（3）工程設(shè)計(jì)時(shí)，多采用動(dòng)水壓力加靜水壓力的計(jì)算方法，其計(jì)算結(jié)果較考慮上部結(jié)構(gòu)反射系數(shù)方法的計(jì)算結(jié)果要小，特別是上部結(jié)構(gòu)入水深度較大時(shí)不能忽略其阻水效應(yīng)，因此考慮反射系數(shù)的計(jì)算方法是偏安全的。值得注意的是，對(duì)于高樁梁板式結(jié)構(gòu)，單個(gè)波峰產(chǎn)生的波浪水平力會(huì)同時(shí)作用于幾根縱梁，導(dǎo)致波浪水平力較大，甚至高于立波計(jì)算值。[5] 相比高樁梁板式結(jié)構(gòu)的梁格對(duì)波浪水平力的放大效應(yīng)，高樁墩式結(jié)構(gòu)僅碼頭前沿受到波浪水平力，具有穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)。

（4）通過調(diào)整墩臺(tái)底面高程并進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墩臺(tái)底面高程設(shè)置在極端高水位以上0.5倍波高附近時(shí)，受到波浪作用產(chǎn)生的樁基彎矩最大。這是由于樁基彎矩與樁基計(jì)算長(zhǎng)度的平方成正比關(guān)系，墩臺(tái)底面高程設(shè)置過高會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低;當(dāng)降低墩臺(tái)底面高程時(shí)，雖然波浪水平力增大，但樁基計(jì)算長(zhǎng)度減小，樁基的彎矩仍處于受控范圍。

（5）高樁墩式上部結(jié)構(gòu)反射系數(shù)通常小于直墻式結(jié)構(gòu)，其碼頭前沿越浪量也低于直墻式結(jié)構(gòu)，從滿足碼頭上水控制標(biāo)準(zhǔn)考慮，其較低的碼頭面高程有利于節(jié)省工程造價(jià)。

4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本工程對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行較為詳細(xì)的技術(shù)比選，最終推薦采用高樁墩式結(jié)構(gòu)方案。高樁梁板式與高樁墩式兩種結(jié)構(gòu)方案優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

經(jīng)過計(jì)算，兩種結(jié)構(gòu)方案均能滿足使用要求。高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般不考慮面板承受豎向波浪力，往往忽略了縱梁受到的波浪水平力。本項(xiàng)目縱梁加面層高度達(dá)到了2.85 m，即使碼頭面標(biāo)高取+11.2 m，上部結(jié)構(gòu)所受波浪水平力也未明顯低于高樁墩式結(jié)構(gòu)，而隨著碼頭排架間距和縱梁高度增加，上部結(jié)構(gòu)所受波浪水平力甚至?xí)^高樁墩式結(jié)構(gòu)所受波浪水平力。同時(shí)，在面板結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜情況下，高樁墩式結(jié)構(gòu)適應(yīng)性更好。例如福建寧德霞浦核電工程大件碼頭就采用了高樁墩式結(jié)構(gòu)方案。隨著類似工程開展，相應(yīng)的研究越來越多，高樁墩式結(jié)構(gòu)的波浪受力特性也會(huì)越來越明晰，其結(jié)構(gòu)型式的推廣是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

5 結(jié) 語

（1）高樁墩式碼頭結(jié)構(gòu)具有良好的波浪受力特性，適用于開敞水域碼頭平臺(tái)建設(shè)。

（2）雖然碼頭結(jié)構(gòu)型式采用高樁墩式的造價(jià)較高樁梁板式的高，但相比碼頭面高程降低帶來的系纜和裝卸作業(yè)便利，是可以接受的。

（3）考慮碼頭上部結(jié)構(gòu)反射系數(shù)的計(jì)算方法是基于規(guī)則波的假設(shè)。波浪力對(duì)高樁墩式結(jié)構(gòu)的作用會(huì)受到波浪傳遞方向的影響，實(shí)際海域中波浪是多向不規(guī)則波，波浪傳遞具有復(fù)雜性。目前關(guān)于高樁墩式結(jié)構(gòu)在波浪作用下的受力特性研究并不多，建議通過物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證該計(jì)算方法的適用性。

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