菲律賓馬利萬(wàn)斯2×300 MW燃煤電廠碼頭水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

張嵩云，毛 卉

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

菲律賓是中國(guó)“一帶一路”倡議中的重點(diǎn)區(qū)域，近年來(lái)國(guó)內(nèi)企業(yè)越來(lái)越多地接觸菲律賓的港口工程項(xiàng)目。菲律賓港口建設(shè)中，中、菲規(guī)范體系存在一定差異，菲律賓建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范NSCP(2001年版)[1]借鑒美國(guó)規(guī)范UBC 97[2]，主要指導(dǎo)碼頭工程的荷載、結(jié)構(gòu)計(jì)算，涉及港口的船舶荷載、碼頭結(jié)構(gòu)整體性計(jì)算的菲律賓港口規(guī)范(2009年版)[3]主要借鑒日本規(guī)范OCDI (2002年版)[4]，充分了解分析中、菲港口設(shè)計(jì)規(guī)范的差異是中國(guó)企業(yè)完成菲律賓地區(qū)港口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

由于菲律賓的地理位置位于環(huán)太平洋地震帶及西太平洋臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域，與國(guó)內(nèi)碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，需要重點(diǎn)考慮大浪、強(qiáng)震的影響，因此碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中妥善處理波浪、地震的荷載要求與使用要求的沖突，是碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

菲律賓馬利萬(wàn)斯2×300 MW燃煤電廠碼頭工程位于開(kāi)敞海域、高地震及火山地質(zhì)區(qū)域，在充分分析性能和功能要求后，采用帶下層系靠船平臺(tái)的全直樁結(jié)構(gòu)，妥善解決大浪、強(qiáng)震的結(jié)構(gòu)要求與使用功能沖突；同時(shí)工程設(shè)計(jì)中充分考慮中、菲設(shè)計(jì)規(guī)范在地震、船舶荷載上的差異，設(shè)計(jì)成果順利通過(guò)菲律賓當(dāng)?shù)刈稍児緦彶椋F(xiàn)已建成運(yùn)營(yíng)。

1 工程概況

菲律賓馬利萬(wàn)斯電站碼頭工程位于菲律賓呂宋島馬尼拉灣灣口北岸，屬巴丹省的馬利萬(wàn)斯市。工程地理位置為北緯14°25′，東經(jīng)120°32′。該碼頭工程新建1座7萬(wàn)噸級(jí)卸煤泊位(最大兼顧船型為8.8萬(wàn)t散貨船)，卸煤泊位設(shè)計(jì)年吞吐量400萬(wàn)t。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高水位為1.88 m，設(shè)計(jì)低水位為0.39 m，極端高水位為2.61 m，極端低水位為-0.44 m。

2.2 波浪

工程水域掩護(hù)條件較差，屬于開(kāi)敞海域，無(wú)掩護(hù)的SSW～SW向波浪極大，波浪重現(xiàn)期100 a時(shí)，卸煤碼頭前沿-16 m水深處波高H1%達(dá)9.13 m。

2.3 潮流

本工程海區(qū)潮型屬全日潮，海域潮流具有明顯的往復(fù)流特征。漲潮流走向98°～103°，落潮流走向281°～285°，碼頭前沿最大可能垂線平均流速約1.1 m/s(考慮50 a一遇風(fēng)海流)，1 a一遇的漲潮流垂線平均最大流速約0.6 m/s。

2.4 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料，工程區(qū)域地址主要由近代火山形成，除表面局部分布有0.6～6 m厚中粗砂層外，土層主要由強(qiáng)風(fēng)化火山集塊沉積巖、火山集塊沉積巖，并存在以透鏡體狀分布的由強(qiáng)風(fēng)化火山集塊沉積巖風(fēng)化形成的粉細(xì)砂及安山巖孤石。

2.5 地震

菲律賓地處環(huán)太平洋地震帶，地震活動(dòng)頻繁，工程區(qū)域地震平均峰值加速度值為0.3g。

2.6 設(shè)計(jì)荷載

設(shè)計(jì)荷載包括碼頭堆載、流動(dòng)車輛荷載、軌道荷載、波浪力、船舶荷載、地震荷載、水流力和風(fēng)壓力等。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 碼頭結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，最終選定高樁梁板式方案作為碼頭結(jié)構(gòu)方案。碼頭上部結(jié)構(gòu)采用梁板式結(jié)構(gòu)，基樁采用φ1 800 mm沖孔灌注樁。碼頭排架間距為9 m，每榀排架布置4根樁。上部結(jié)構(gòu)為正交梁板體系，即現(xiàn)澆橫梁，預(yù)制縱向梁系，疊合面板的結(jié)構(gòu)形式。其中軌道梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。橫梁為倒T形，預(yù)制縱向梁系擱置在下橫梁上。

基于減少臺(tái)風(fēng)期波浪對(duì)碼頭上部結(jié)構(gòu)影響的考慮，設(shè)計(jì)碼頭面高程為10.5 m，為方便船舶靠系泊，在碼頭前沿設(shè)置大型樁帽作為下層系靠船平臺(tái)結(jié)構(gòu)，系靠船平臺(tái)頂高程為6.5 m，突出碼頭前沿2 m，采用鋼斜梯與碼頭面相連，碼頭斷面及立面見(jiàn)圖1。

圖1 碼頭斷面與立面

3.2 引橋結(jié)構(gòu)方案

本工程引橋面高程由碼頭至駁岸為10.5～24.9 m，結(jié)構(gòu)采用高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，引橋墩間距為30 m，見(jiàn)圖2。樁基根據(jù)墩臺(tái)受波浪力情況分別采用φ1 800 mm和φ1 500 mm鉆孔灌注樁，每墩布置4根樁，為減少波浪荷載下墩身位移，在樁間設(shè)橫撐。引橋墩上擱置預(yù)應(yīng)力空心板，板高1.3 m、長(zhǎng)25 m，每跨布置4～7塊空心板。

圖2 引橋縱剖面

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及解決方案

4.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系的選擇

在開(kāi)展設(shè)計(jì)工作前，發(fā)現(xiàn)菲律賓建筑規(guī)范是基于美國(guó)建筑類規(guī)范修編而成，相當(dāng)于UBC 97；但受菲律賓工程技術(shù)實(shí)力所限，其港口設(shè)計(jì)手冊(cè)借鑒日本OCDI規(guī)范編制而成，相當(dāng)于OCDI(2002年版)。

最終確認(rèn)碼頭的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系采用以當(dāng)?shù)匾?guī)范為主、主流的國(guó)際港口設(shè)計(jì)規(guī)范為輔的原則。具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系為：整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載體系(組合和組合系數(shù))、風(fēng)荷載和地震荷載均嚴(yán)格按照菲律賓規(guī)范執(zhí)行；對(duì)于碼頭特用的船舶荷載、波浪荷載等則分別使用石油公司國(guó)際海事論壇OCIMF規(guī)范[5]、國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)PIANC規(guī)范[6]；構(gòu)件設(shè)計(jì)按照當(dāng)?shù)匾?guī)范執(zhí)行。

4.2 波浪荷載設(shè)計(jì)

工程區(qū)域水深浪大，卸煤碼頭前沿設(shè)計(jì)波高H1%達(dá)9.13 m，波浪力荷載巨大，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)斷面作用在單榀橫梁上(包括樁身波浪力)的波浪力仍超過(guò)1 000 kN，整個(gè)碼頭分段極端波浪力近9 000 kN，極端大波荷載成為碼頭極端工況的控制荷載。

針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的波浪荷載設(shè)計(jì)，從3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化：1)界定波浪力影響范圍，根據(jù)波浪力作用范圍設(shè)計(jì)縱向梁系底高程，通過(guò)抬高縱向梁系設(shè)計(jì)底高程，設(shè)置下層靠系船平臺(tái)解決船舶靠泊問(wèn)題，減少碼頭立面受浪面積;2)明確波浪力組合因素，考慮到工程強(qiáng)浪向主要為SSW～SW向，方向夾角為50°～90°，且主要受臺(tái)風(fēng)影響而生成，與大潮汛潮流疊加概率極低，因此設(shè)計(jì)中排除設(shè)計(jì)最大流速，選用0.3 m/s流速作為極端大波情況下的橫向疊加流速;3)在碼頭整體模型中考慮波浪力由于相位差產(chǎn)生的衰減，將不同樁位推算得到的不同相位樁身波浪力分別計(jì)算并輸入至整體碼頭模型，避免放大波浪力影響。

抬高上部結(jié)構(gòu)高程在減少大浪情況下受浪面積的同時(shí)，間接提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的柔性，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)創(chuàng)造有利條件。

4.3 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

工程位于強(qiáng)震區(qū)域，設(shè)計(jì)地震平均峰值加速度為0.3g。對(duì)于地震荷載，國(guó)內(nèi)以往的設(shè)計(jì)中往往考慮加強(qiáng)水平向支撐，加大結(jié)構(gòu)剛度“硬”抗地震荷載，但在強(qiáng)震情況下，由于地震反應(yīng)譜曲線更為“陡峭”(更高的反應(yīng)峰值及更長(zhǎng)的峰值對(duì)應(yīng)周期)，在過(guò)于強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)水平剛度的情況下，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水平地震反應(yīng)急劇提高。

經(jīng)過(guò)地質(zhì)評(píng)估，整個(gè)電廠項(xiàng)目按8度(0.3g)地震設(shè)防，工程在抗震設(shè)計(jì)中采用了菲律賓建筑規(guī)范NSCP計(jì)算，結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算采用振型分解反應(yīng)譜法。中國(guó)的《建筑抗震規(guī)范》[7]在相同參數(shù)下反應(yīng)譜峰值略低于菲律賓規(guī)范，但在結(jié)構(gòu)自振周期超過(guò)0.8 s后兩者基本相等，見(jiàn)圖3。

注：菲律賓地震規(guī)范設(shè)計(jì)地震動(dòng)采用50 a重現(xiàn)期10%超越概率地震，相當(dāng)于《建筑抗震規(guī)范》的第二水準(zhǔn)地震(設(shè)防地震)，為方便對(duì)比，圖中中國(guó)規(guī)范所表示的即設(shè)防地震反應(yīng)譜。

圖3設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線

通過(guò)對(duì)地震反應(yīng)譜的分析，選擇的全直樁碼頭結(jié)構(gòu)在模態(tài)分析中前三階振型自振周期在1.8～2.1 s，整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)具有較好的柔性，地震反應(yīng)相對(duì)較小。

本工程引橋岸側(cè)墩臺(tái)上設(shè)高架廊道，抗震設(shè)計(jì)中對(duì)高架廊道采用整體建模計(jì)算，考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的柔性，地震反應(yīng)下樁身彎矩下降為分別設(shè)計(jì)、荷載關(guān)聯(lián)情況下的40%，避免人為放大地震荷載，大幅提高抗震設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

4.4 全直樁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載下的變形控制

整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式在強(qiáng)震和波浪兩大控制因素的影響下，全直樁結(jié)構(gòu)變成了整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選方案。但全直樁結(jié)構(gòu)在樁基碼頭結(jié)構(gòu)中屬于柔性結(jié)構(gòu)，考慮到本工程碼頭結(jié)構(gòu)自由高度達(dá)到27 m的特點(diǎn)，整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)在外荷載條件下呈現(xiàn)出較大的位移反應(yīng)，這將對(duì)碼頭的運(yùn)營(yíng)安全及外觀造成不利影響。

根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)立兩種狀態(tài)下的位移控制指標(biāo)：1)對(duì)于正常使用工況，設(shè)計(jì)控制水工結(jié)構(gòu)頂位移限值為30 mm;2)對(duì)于極端工況，設(shè)計(jì)控制水工結(jié)構(gòu)頂位移為結(jié)構(gòu)自由高度的1/300(本碼頭為90 mm)。同時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)位移的準(zhǔn)確性，碼頭樁基模型采用m法反力模型，并在模型中考慮灌注樁入土段縮徑10 cm以及樁身鋼護(hù)筒剛度的影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)樁身鋼護(hù)筒對(duì)樁基模型剛度貢獻(xiàn)值較大，故要求鋼護(hù)筒按永久工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行涂裝，更加有利于變形控制。

碼頭建成后，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中使用情況良好，位移控制良好，人員通行及設(shè)備操作狀態(tài)均屬正常。

4.5 火山集塊巖地質(zhì)下的樁型選擇

本工程屬于火山地質(zhì)，土層主要為火山集塊沉積巖，但在早期地質(zhì)報(bào)告中土層曾被定為礫石、卵石、孤石混砂礫(由于火山噴發(fā)的隨機(jī)性導(dǎo)致歷次沉積的火山集塊巖粒徑及膠結(jié)強(qiáng)度不均勻)，并推薦采用重型鋼管樁基礎(chǔ)。進(jìn)行補(bǔ)勘后，通過(guò)取芯判別土層為火山集塊沉積巖，特別是集塊巖中的安山巖部分強(qiáng)度高，且呈多層透鏡式分布。

鑒于地質(zhì)類型對(duì)于樁基方案的重要性，結(jié)合補(bǔ)勘資料，判斷現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)為火山噴出物沉積膠結(jié)成巖，整體強(qiáng)度不高，但混有大量粒徑在0.8～1.0 m的安山巖巖核，基于此最終選用沖孔灌注樁作為設(shè)計(jì)樁型，并推薦振動(dòng)錘下沉樁身鋼套筒施工方案，現(xiàn)場(chǎng)施工反饋良好。

5 結(jié)語(yǔ)

1)中、菲規(guī)范體系下，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異主要在抗震設(shè)計(jì)，菲律賓規(guī)范體系以美國(guó)規(guī)范為主，港口特有的船舶、波浪荷載計(jì)算主要參照日本OCDI規(guī)范。

2)極端大浪情況下，減少或避免縱梁體系的受浪面積是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在此情況下設(shè)置下層系靠船平臺(tái)能兼顧碼頭功能。

3)強(qiáng)震地區(qū)全樁碼頭結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)整體柔性，且能夠兼顧大浪的波浪荷載，是大浪、強(qiáng)震區(qū)域碼頭結(jié)構(gòu)選擇的最佳方案，使用工況下全直樁碼頭的結(jié)構(gòu)位移控制能夠兼顧抗震要求與使用要求。

4)碼頭使用情況良好，工程設(shè)計(jì)方案的選取及技術(shù)要點(diǎn)對(duì)同類境外工程具有一定的借鑒作用。