同時具有板樁和重力式結(jié)構(gòu)的碼頭改造升級

劉崇期 胡濤 郝俊宇

摘 要：本文基于工程實例，考慮碼頭荷載變化和功能要求，結(jié)合碼頭原有的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，針對同時具有板樁結(jié)構(gòu)和重力式結(jié)構(gòu)的碼頭提出了改造方案。改造方案提升了碼頭的靠泊能力和結(jié)構(gòu)承載能力，滿足泊位裝卸要求和港口營運需求。并利用ANSYS軟件，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，改造方案在設(shè)計荷載作用下，滿足安全使用要求，可為今后類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：板樁結(jié)構(gòu);重力式結(jié)構(gòu);改造方案;靠泊能力;結(jié)構(gòu)承載能力

中圖分類號：U656.1? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0080-04

近年來，隨著港口業(yè)務(wù)的拓展以及船舶大型化和專業(yè)化的發(fā)展，大宗貨船的數(shù)量和比例在海運船隊中不斷增加，載重噸位不斷提高。原有舊碼頭泊位難以適應(yīng)船舶大型化的發(fā)展需求，拆除重建造價太高。相對來說，對原有碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固、升級，提高泊位的營運能力和結(jié)構(gòu)的承載能力，滿足港口運營的需求，這一途徑所需的費用相對較少，可以通過較小的投入獲得較大的回報。

目前，國內(nèi)對碼頭改造的案例較多，但尚未有針對碼頭改造統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏全面、系統(tǒng)的研究，對同一碼頭多種結(jié)構(gòu)型式的碼頭改造研究更少。邊樹濤[1]結(jié)合工程實例，對幾種不同特點的重力式碼頭改造方案進(jìn)行了分析歸納，總結(jié)各類重力式碼頭改造的特點;馮光華[2]針對具體工程，總結(jié)了重力式碼頭前沿PHC樁沉樁對碼頭位移的影響;孟曉寧[3]對高樁碼頭改造常用的方法進(jìn)行了分析，總結(jié)了每種方法的優(yōu)缺點;蔣國棟[4]結(jié)合工程實際，分析了前板樁后低樁承臺結(jié)構(gòu)改造設(shè)計的技術(shù)要點和注意事項;張志明[5]搜集國內(nèi)海港加固改造工程資料，系統(tǒng)地研究了不同類型碼頭改造加固方法以及改造中的檢測關(guān)鍵技術(shù);顧海寬[6]對國內(nèi)改造工程進(jìn)行了調(diào)研和分析，形成了比較完善的碼頭改造加固技術(shù)和方法體系。

本文基于實際工程，針對同時具有重力式和板樁結(jié)構(gòu)型式的碼頭進(jìn)行改造升級，使其滿足現(xiàn)有功能要求。

1工程概況

原碼頭設(shè)計主要用于從事客運、水上觀光及游艇等服務(wù)，建設(shè)規(guī)模為6個工作船泊位，3個500GT旅游泊位和208個游艇泊位。隨著東莞港的發(fā)展走向變化以及水上觀光旅游市場的轉(zhuǎn)移變化，水上觀光及游艇業(yè)向南沙、珠海、香港等地區(qū)發(fā)展，在東莞市建設(shè)大型游艇基地及觀光旅游碼頭不能適應(yīng)市場需求，與東莞港的發(fā)展定位不符，與東莞市乃至整個珠三角的社會經(jīng)濟發(fā)展水平和貨物運輸需求不適應(yīng)，為適應(yīng)《東莞總體發(fā)展規(guī)劃（2020-2035）》要求，緩解東莞港散雜貨通過能力不足，現(xiàn)需將碼頭中工作船泊位改造為通用散雜貨泊位。工作船泊位岸線長200m，共6個泊位。為與右側(cè)集裝箱碼頭順利銜接，碼頭在靠近集裝箱碼頭一側(cè)采用重力式結(jié)構(gòu)，與集裝箱碼頭結(jié)構(gòu)型式保持一致，長度為74.7m，另一側(cè)采用板樁結(jié)構(gòu)，長度為125.3m，碼頭泊位布置如圖1所示。

板樁結(jié)構(gòu)采用前板樁+后樁的高樁承臺結(jié)構(gòu)，樁基采用φ1200mm灌注樁，樁體不間斷布置，樁間距1.6m，為防止墻后土體流失，前排樁后連續(xù)施打φ700mm攪拌樁;后排樁也采用φ1200mm灌注樁，樁間距3.0m。樁頂現(xiàn)澆胸墻，將結(jié)構(gòu)連成整體。樁基進(jìn)入強風(fēng)化巖，港池底標(biāo)高為-4.70m。重力式為沉箱結(jié)構(gòu)，基床采用10～100kg塊石，基床上安裝沉箱，沉箱內(nèi)回填中粗砂，后方拋填中粗砂，沉箱頂部現(xiàn)澆胸墻。沉箱之間采用對接，對接縫間設(shè)置倒濾腔。重力式結(jié)構(gòu)段港池底標(biāo)高為-8.70m，兩結(jié)構(gòu)段港池底標(biāo)高按1：4放坡連接。

2 改造要求

本次改造將500噸級工作船泊位改造為一個5000噸級通用泊位，可?？恳凰?000噸級散雜貨船或同時?？?艘3000噸級散貨船和1艘1000噸級的干貨船，用作海砂（原料）及件雜貨裝卸泊位，泊位布置圖如下圖4所示。

本次升級改造將原客運泊位改造為5000噸級雜散貨碼頭，結(jié)構(gòu)按10000噸級雜散貨碼頭設(shè)計，升級改造過程中主要面臨以下幾個難點。

（1）碼頭具有兩種結(jié)構(gòu)型式，不同的結(jié)構(gòu)型式改造方案不一致。

（2）根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS165-2013）[7]條文規(guī)定，為滿足10000噸級雜散貨停泊要求，板樁結(jié)構(gòu)段碼頭前沿水域設(shè)計底標(biāo)高需由-4.70m浚深至-9.50m，導(dǎo)致后方永久土壓力作用增大，增大樁基的彎矩值;重力式段基床設(shè)計底標(biāo)高由-8.70m浚深至-9.50m，開挖基床會影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）現(xiàn)有裝卸工藝不能滿足要求，碼頭前沿需設(shè)置裝卸設(shè)備，增加水平運輸機械以及后方堆場作業(yè)設(shè)備，以滿足泊位裝卸要求。

（4）現(xiàn)有碼頭附屬設(shè)施如系船柱、橡膠護(hù)舷不滿足要求，需升級，以滿足船舶停靠和系泊要求，升級后碼頭所受船舶荷載增大。

3 升級改造方案

3.1 裝卸工藝方案

根據(jù)工程的建設(shè)規(guī)模、到港船型及貨運量、貨種性質(zhì)等，進(jìn)行裝卸工藝設(shè)計。裝卸作業(yè)設(shè)備采用2臺門機起重機，軌距10.5m，輪壓350kN，共4個支腿，每個支腿4個輪子，軌距765mm，前軌距碼頭前沿線距離3.0m。水平運輸設(shè)備采用帶式輸送機，部分海沙水平運輸設(shè)備采用載重汽車;件雜貨水平運輸采用牽引平板車。散貨堆場設(shè)備采用單斗裝載機，件雜貨堆場裝卸作業(yè)采用輪胎吊和抓料機。

3.2 碼頭附屬設(shè)施改造

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）[8]，現(xiàn)有系船柱、橡膠護(hù)舷等碼頭附屬設(shè)施不能滿足規(guī)范要求，需拆除重新安裝。按照規(guī)范計算，系船柱型號選用450KN，橡膠護(hù)舷采用DA-A600H x 1500標(biāo)準(zhǔn)反力型，設(shè)計壓縮變形52.5%，反力971KN。

3.3 港池底標(biāo)高浚深

原碼頭板樁結(jié)構(gòu)段港池底標(biāo)高為-4.7m，重力式結(jié)構(gòu)段港池底標(biāo)高為-8.70m，為滿足10000噸級雜散貨碼頭安全停泊要求，現(xiàn)需將港池底標(biāo)高浚深至-9.50m。

3.4 結(jié)構(gòu)改造方案

碼頭改造在保持原有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強，以滿足荷載以及工藝要求。本次結(jié)構(gòu)方案改造將結(jié)合碼頭原有的設(shè)計方案、改建規(guī)模、使用功能及荷載變化等特點，在滿足安全使用條件下盡量減少投資。

板樁結(jié)構(gòu)段改造，砸除胸墻表面混凝土，擴大胸墻上部寬度，作為海側(cè)軌道的基礎(chǔ)，擴大段通過植筋與原胸墻相連;碼頭后方新建L型梁作為陸側(cè)軌道梁，并通過植筋與原胸墻結(jié)構(gòu)整體現(xiàn)澆一起。軌道梁下方設(shè)置連排灌注樁，樁徑1.2m，樁間距1.6m，樁基進(jìn)入強風(fēng)化巖，樁后設(shè)置兩排?700mm攪拌樁，用于擋土，具體方案詳見圖5。

重力式結(jié)構(gòu)段砸除胸墻表面混凝土，擴大胸墻上部寬度，現(xiàn)澆海側(cè)軌道基礎(chǔ);后方新建L型軌道梁，軌道梁坐于沉箱后壁上。挖除部分基床至-9.5m，并對基床局部進(jìn)行壓力灌漿加固處理，為防止沖刷，基床表面安裝柵欄板，同時在坡腳處拋填10～100kg塊石進(jìn)行反壓，具體方案詳見圖6。

4 結(jié)構(gòu)計算

碼頭荷載包括永久荷載和可變荷載。永久荷載主要為結(jié)構(gòu)自重和永久作用主動土壓力;可變荷載為碼頭前沿均布荷載30kpa、后方堆場均布荷載60kpa（距離碼頭后方軌道6m范圍內(nèi)不堆載）、裝卸機械荷載-門機荷載、流動機械荷載-30t輪胎吊和40t平板掛車。

本文基于ANSYS軟件建立改造后有限元模型，模型計算中采用了三種單元進(jìn)行模擬。其中，上部胸墻采用SOLID45實體單元，樁基采用BEAM188梁單元，樁土之間作用采用COMBIN14彈簧單元。墩臺與樁基之間連接方式為固接，墩臺網(wǎng)格大小為1.0m，樁基網(wǎng)格大小為0.50m，模型共1912個單元。后方永久主動土壓力以及堆載產(chǎn)生的土壓力大小分布根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS67-2018）[9]計算，然后乘以相應(yīng)分項系數(shù)加載到墩臺側(cè)面和樁基上。模型如下所示。

根據(jù)計算結(jié)果，樁基內(nèi)力控制荷載組合為自重+系纜力+后方均布荷載。灌注樁彎矩設(shè)計值和壓樁力設(shè)計值通過ANSYS導(dǎo)出，灌注樁極限抗壓承載力設(shè)計值和抗拔極限承載力設(shè)計值根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS167-2018）相關(guān)公式計算，計算結(jié)果如下表1所示。

5 結(jié)語

原碼頭同時具有板樁結(jié)構(gòu)和重力式結(jié)構(gòu)，單一結(jié)構(gòu)改造相對簡單，同時對具有兩種結(jié)構(gòu)的碼頭進(jìn)行升級改造并使其滿足工藝及荷載受力要求，改造難度較大，改造案例少，沒有成功經(jīng)驗可尋。本文對現(xiàn)有的碼頭結(jié)構(gòu)，新的功能需求提出了改造方案，并通過ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，改造方案主要特點：

（1）方案同時兼顧了板樁結(jié)構(gòu)和重力式結(jié)構(gòu)改造的特點，并將二者統(tǒng)一結(jié)合，滿足了裝卸工藝和船舶?？康纫蟆?/p>

（2）板樁結(jié)構(gòu)改造方案后方軌道梁樁基既是軌道梁的基礎(chǔ)，又兼具擋墻功能。

（3）改造方案對原設(shè)計結(jié)構(gòu)改動小，新建結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)通過植筋連接，最大化利用原有結(jié)構(gòu)，節(jié)省投資。

（4）改造方案充分考慮施工可行性和便利性，方案施工工序少，主要工序為灌注樁沉樁，相比于水上施工，陸上沉樁相對容易，受風(fēng)浪影響較小，工期短。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.港口工程荷載規(guī)范：JTS144-1-2010.北京.人民交通出版社，2010.

[9] 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：JTS167-2018.北京.人民交通出版社有限公司.2018.