灌注樁基礎(chǔ)長(zhǎng)分段后軌道梁結(jié)構(gòu)在碼頭工程中的應(yīng)用

陳波，楊旭，沈迪州

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

在重力式碼頭中，門(mén)機(jī)或岸橋后軌道基礎(chǔ)梁一般多采用樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)可以采用灌注樁、鋼管樁和PHC樁等，后軌道梁多采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。陳波等[1]針對(duì)后軌道梁基樁貫穿較厚的中密砂層及硬黏土層的情況，初步探討碼頭后軌道梁基樁中抗拔樁的連接設(shè)計(jì)。盧少?gòu)┑萚2]針對(duì)某港重力式碼頭沉箱頂?shù)酱a頭面高差較大工況下的門(mén)機(jī)后軌道梁的設(shè)置情況，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和探討。對(duì)于后軌道梁的分段長(zhǎng)度，根據(jù)JTS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]的要求，高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)為裝配整體式結(jié)構(gòu)時(shí)，一般每隔60~70 m設(shè)置1個(gè)伸縮縫；上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)場(chǎng)整體澆筑混凝土?xí)r，伸縮縫間距不宜大于35 m。

劉洋等[4]針對(duì)溫度效應(yīng)對(duì)全直樁現(xiàn)澆梁板高樁碼頭的影響問(wèn)題，采用國(guó)際通用有限元軟件進(jìn)行三維空間計(jì)算，得出國(guó)內(nèi)環(huán)境下適當(dāng)增長(zhǎng)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度可對(duì)樁基、縱橫梁的彎矩、剪力和軸力值均有一定程度的降低。楊銘元等[5]以巴基斯坦某超長(zhǎng)無(wú)分縫高樁碼頭結(jié)構(gòu)為例，對(duì)超長(zhǎng)無(wú)分縫高樁碼頭結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，對(duì)梁及樁基結(jié)構(gòu)，均勻溫差對(duì)構(gòu)件內(nèi)力變化起控制作用，梯度溫差作用可忽略不計(jì)。

軌道梁上安裝有鋼軌，當(dāng)碼頭軌道梁的長(zhǎng)度與鋼軌的長(zhǎng)度完全相等時(shí)，兩者因溫度變化而產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化量基本相等，不會(huì)形成過(guò)大的溫度應(yīng)力[6]，近年來(lái)，碼頭鋼軌安裝后通常焊接成整體，長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于70 m，則會(huì)在碼頭結(jié)構(gòu)伸縮縫附近的鋼軌中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，為保證后軌道梁結(jié)構(gòu)具有良好整體性，減少后軌道梁結(jié)構(gòu)差異沉降或伸縮縫處鋼軌的破壞等問(wèn)題，并降低營(yíng)運(yùn)期的維護(hù)成本，在碼頭后軌道梁設(shè)計(jì)中加長(zhǎng)軌道梁的分段長(zhǎng)度，有一定的應(yīng)用前景。

1 工程概況

本工程碼頭建設(shè)主要為新建2個(gè)10萬(wàn)噸級(jí)和1個(gè)1萬(wàn)噸級(jí)集裝箱泊位，結(jié)構(gòu)均按10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船舶設(shè)計(jì)，碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，后軌道梁采用灌注樁基礎(chǔ)，樁直徑1.1 m，間距3.3 m，灌注樁持力層為風(fēng)化巖層，后軌道梁為現(xiàn)澆鋼筋混凝土矩形梁，梁高2.8 m，寬2.2 m。岸橋采用65 t-66 m岸邊集裝箱裝卸橋，65 t-66 m岸邊集裝箱裝卸橋參數(shù)如下：海側(cè)軌中心距碼頭前沿線3.5 m，軌距30 m，基距15.1 m，共4個(gè)支腿，8個(gè)輪/支腿，兩臺(tái)岸橋之間最小輪距2.0 m，工作狀態(tài)最大輪壓592.5 kN/輪，非工作狀態(tài)最大輪壓2 032.6 kN/輪，上拔力5 370 kN/角。岸橋前軌安放在胸墻上，后軌坐落在現(xiàn)澆后軌道梁上，碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖見(jiàn)圖1，后軌道梁尺寸圖見(jiàn)圖2。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（高程：m；尺寸：mm）Fig.1 Cross section of wharf structure（altitude:m；dimension:mm）

圖2 后軌道梁尺寸圖（mm）Fig.2 Dimension of rear rail beam（mm）

2 長(zhǎng)分段后軌道梁設(shè)計(jì)

對(duì)后軌道梁進(jìn)行了28 m、56.02 m和84.04 m的比較設(shè)計(jì)，分別計(jì)算了4種工況下后軌道梁和灌注樁的軸力、剪力和彎矩，計(jì)算結(jié)果如表1、表2、表3所示。

2.1 后軌道梁內(nèi)力對(duì)比

對(duì)后軌道梁，后軌道梁加長(zhǎng)后雙機(jī)工作工況下的內(nèi)力變化不大，其余工況下的內(nèi)力均略有改變，防風(fēng)拉索工況下的負(fù)彎矩增大較多，因防風(fēng)拉索只是在局部位置才有設(shè)置，通過(guò)局部增加配筋的措施可以滿足受力要求。

表1 28 m長(zhǎng)后軌道梁的內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表Table 1 Internal force statistical table of 28 m long rear rail beam

表2 56.02 m長(zhǎng)后軌道梁的內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表Table 2 Internal force statistical table of 56.02 m long rear rail beam

表3 84.04 m長(zhǎng)后軌道梁的內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表Table 3 Internal force statistical table of 84.04 m long rear rail beam

2.2 灌注樁內(nèi)力對(duì)比

對(duì)灌注樁，后軌道梁加長(zhǎng)后，對(duì)雙機(jī)工作工況下樁力影響很??；非工作工況下28 m的后軌道梁樁力均較為均勻，最大的壓樁力6 080 kN，最小的壓樁力也達(dá)到3 670 kN，同時(shí)防風(fēng)拉索工況下28 m的后軌道梁的最大拔樁力達(dá)到2 902 kN。后軌道梁加長(zhǎng)后，非工作工況下的后軌道梁樁力出現(xiàn)差異，壓樁力變小，最小的壓樁力只有53 kN，防風(fēng)拉索工況下84.04 m的后軌道梁的最大拔樁力只有1 368 kN。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)后軌道梁壓樁力控制工況為非工作工況，拔樁力的控制工況為防風(fēng)拉索工況。后軌道梁加長(zhǎng)后，樁力出現(xiàn)差異，最大壓樁力變化不大，拔樁力明顯變小，對(duì)于樁力的差異情況，區(qū)別開(kāi)抗拔樁與普通樁分別設(shè)計(jì)，對(duì)抗拔樁要進(jìn)入中風(fēng)化巖3.3 m以上終孔，對(duì)余下的普通樁：1）要鉆到設(shè)計(jì)標(biāo)高且進(jìn)入中風(fēng)化巖1.1 m以上才能終孔；2）如果到標(biāo)高后未發(fā)現(xiàn)中風(fēng)化巖，需報(bào)監(jiān)理，設(shè)計(jì)重新確定終孔要求；3）如果發(fā)現(xiàn)難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，要進(jìn)入中風(fēng)化巖2.2 m以上才能終孔。通過(guò)分別采用不同終孔要求，既確保了抗拔樁的抗拔承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，又能節(jié)省部分普通樁的混凝土工程量。通過(guò)灌注樁鉆孔實(shí)踐以及檢測(cè)結(jié)果證明，灌注樁的終孔控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本工程基樁的控制是適應(yīng)的。

3 長(zhǎng)分段后軌道梁溫度作用分析

混凝土由于內(nèi)部水分蒸發(fā)和在空氣中結(jié)硬時(shí)，體積會(huì)逐漸減小，出現(xiàn)干縮，干縮裂縫較普遍，常見(jiàn)于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，如梁、板等。其干縮程度與水泥品種用量、單位用水量和集料用量有關(guān)，還與施工、養(yǎng)護(hù)不良有關(guān)，發(fā)展規(guī)律是早期快，后期緩慢。為了計(jì)算后軌道梁的干縮、季節(jié)性溫差引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，合理指導(dǎo)加長(zhǎng)后的后軌道梁分段施工，對(duì)其在溫度應(yīng)力、混凝土收縮影響下的內(nèi)力及變形進(jìn)行了分析。采用國(guó)際通用的有限元軟件ANSYS進(jìn)行三維空間建模，對(duì)溫度作用在長(zhǎng)分段的后軌道梁上產(chǎn)生的樁基、軌道梁內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，分析溫度應(yīng)力對(duì)后軌道梁結(jié)構(gòu)的影響。

3.1 溫度差類型

本工程中樁基位于軌道梁的下部，不受陽(yáng)光直射，處于被遮擋部位，故樁基只需考慮溫度在樁基上分布均勻。后軌道梁的頂部受到太陽(yáng)直曬，底部的溫度較低，在梁的截面上存在線性差異的形式，但在常規(guī)的水運(yùn)工程后軌道梁結(jié)構(gòu)中，梁截面尺寸范圍為2耀3 m，截面上的溫差可以忽略不計(jì)，故后軌道梁只考慮溫度在后軌道梁上分布均勻。

3.2 溫度差取值

本項(xiàng)目位于我國(guó)華南地區(qū)，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7]，華南沿海多年平均氣溫約為20益，多年極端最高氣溫約為35益，多年極端最低氣溫約為0益，采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溫差大約為原12耀16益。

3.3 計(jì)算模型

采用國(guó)際通用的有限元軟件ANSYS進(jìn)行三維空間建模，模擬情況如下：

1）常規(guī)荷載中自重為永久荷載，可變荷載考慮岸橋輪壓作為移動(dòng)荷載；

2）環(huán)境荷載，考慮溫度變化及與使用荷載組合作用；根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，考慮結(jié)構(gòu)溫度下降20益（30益降到10益）；

3）混凝土收縮當(dāng)量溫差。

選擇合理的灌注樁水平剛度是設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，本工程利用相鄰兩工程樁進(jìn)行水平靜荷載試驗(yàn)，一根為試驗(yàn)樁，相鄰樁為反力樁，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果[8]綜合推薦水平地基反力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的比例系數(shù)取值為5 027.30 kN/m4。

考慮2種荷載組合工況，分別是永久荷載+岸橋荷載+膨脹性溫度應(yīng)力工況和永久荷載+岸橋荷載+收縮性溫度應(yīng)力工況。

3.4 結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算，對(duì)于84.04 m的長(zhǎng)分段后軌道梁，后軌道梁的最大軸力為4 598 kN，灌注樁的最大樁身彎矩為2 197 kN·m，灌注樁的配筋采用20根準(zhǔn)28 mm的鋼筋，可以滿足承載力及抗裂的要求，灌注樁的裂縫控制寬度為0.25 mm，滿足規(guī)范要求。后軌道梁軸力圖如圖3所示，后軌道梁灌注樁彎矩圖如圖4所示。加大后軌道梁結(jié)構(gòu)分段長(zhǎng)度，后軌道梁及灌注樁的受力均能滿足設(shè)計(jì)要求，減少樁基數(shù)量，節(jié)省了工程造價(jià)。

圖3 承載能力極限狀態(tài)后軌道梁軸力圖（kN）Fig.3 Axial force diagram of rear rail beam in ultimate state of bearing capacity（kN）

圖4 承載能力極限狀態(tài)后軌道梁灌注樁彎矩圖（kN·m）Fig.4 Bending moment diagram of cast-in-place pile of rear rail beam in ultimate state of bearing capacity（kN·m）

4 現(xiàn)場(chǎng)施工

對(duì)加長(zhǎng)后的后軌道梁采用分層及分段澆筑，先澆筑下層1.0 m，即牛腿以下部分，再澆筑上層余下的1.8 m；依據(jù)計(jì)算進(jìn)行后軌道梁分段澆筑，84.04 m長(zhǎng)的后軌道梁分3段澆筑，分段長(zhǎng)度分別為25.22 m、33.60 m和25.22 m，分段間采用收口網(wǎng)連接，收口網(wǎng)采用直徑25 mm和14 mm的鋼筋縱橫交錯(cuò)成網(wǎng)，固定在軌道梁鋼筋或樁頭鋼筋上。

由于現(xiàn)澆后軌道梁是受彎構(gòu)件，在進(jìn)行分段澆筑時(shí)先澆段混凝土如果鑿毛處理不當(dāng)或者在接茬面上的污物及粉塵沒(méi)有清理干凈，都會(huì)造成后澆混凝土與先澆混凝土結(jié)合不好，從而使混凝土接茬處易產(chǎn)生裂縫。用收口網(wǎng)做端模，相當(dāng)于處理良好的鑿毛面，節(jié)省了鑿毛時(shí)間，非常適合后澆段的施工，既保證了接茬處的混凝土質(zhì)量，使新舊混凝土結(jié)合良好，同時(shí)使用收口網(wǎng)進(jìn)行澆筑后無(wú)需拆除，為施工進(jìn)度節(jié)省了時(shí)間，可以直接觀察混凝土的澆筑和振搗情況，有效控制欠振現(xiàn)象，更好地保證混凝土質(zhì)量。

本工程將收口網(wǎng)用作分段現(xiàn)澆后軌道梁永久性端模，收到了良好效果。目前碼頭已經(jīng)建成投產(chǎn)，使用效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

后軌道梁加長(zhǎng)后，樁力出現(xiàn)差異，最大壓樁力變化不大，拔樁力明顯變小，對(duì)于樁力的差異情況，本工程通過(guò)區(qū)別開(kāi)抗拔樁與普通樁，既確保了抗拔樁的抗拔承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，又能節(jié)省部分普通樁的混凝土工程量。

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)分段后軌道梁溫度作用分析，后軌道梁及灌注樁的受力均能滿足設(shè)計(jì)要求，減少樁基數(shù)量，節(jié)省了工程造價(jià)。

后軌道梁加長(zhǎng)后，采用分層及分段澆筑，并將收口網(wǎng)用作分段現(xiàn)澆后軌道梁永久性端模，收到了良好效果。

目前碼頭已經(jīng)建成投產(chǎn)，通過(guò)對(duì)后軌道梁進(jìn)行觀察，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有裂縫現(xiàn)象，證明設(shè)計(jì)方案行之有效，為今后同類后軌道梁設(shè)計(jì)及施工提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。