一種基于設(shè)備提升的重力式碼頭結(jié)構(gòu)加固方法

劉勝

摘 要：針對(duì)某內(nèi)河碼頭固定吊機(jī)設(shè)備提升，提出在固定吊基礎(chǔ)后方設(shè)置樁基、對(duì)重力式碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加固的方案。通過(guò)分析，得出了一種適合的碼頭改造后抗傾覆、抗滑、整體穩(wěn)定性、基底應(yīng)力等驗(yàn)算的簡(jiǎn)化公式，方案中樁基對(duì)原有重力式結(jié)構(gòu)的抗傾覆作用明顯，對(duì)碼頭整體穩(wěn)定性也有一定積極作用，加固方法可為類似工程改造設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭;樁基;結(jié)構(gòu)改造;固定吊

中圖分類號(hào)：U656.1+11? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）01-0136-02

1引言

由于我國(guó)可利用建港的岸線資源已近枯竭，為提升水運(yùn)運(yùn)力，碼頭升級(jí)改造工程將是未來(lái)發(fā)展水運(yùn)工程基礎(chǔ)建設(shè)的重點(diǎn)。增加碼頭通運(yùn)能力，提升碼頭靠泊能力以及提高港機(jī)工作效率是未來(lái)的發(fā)展方向。

結(jié)構(gòu)加固改造形式根據(jù)碼頭自身現(xiàn)有環(huán)境限制和滿足使用功能的要求，量體裁衣，現(xiàn)有碼頭結(jié)構(gòu)改造形式也是多種多樣的。僅針對(duì)碼頭固定吊機(jī)設(shè)備提升，提出在固定吊基礎(chǔ)后方設(shè)置樁基、對(duì)重力式碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加固的方案。

2加固方案

浙江地區(qū)某內(nèi)河碼頭為提升碼頭裝卸效率，對(duì)原有固定吊進(jìn)行升級(jí)改造，改造后的固定吊最大彎矩提升至1500kN.m，豎向作用力達(dá)到100kN。為滿足固定吊使用安全，需對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造。加固設(shè)計(jì)方案：在碼頭墻體后方打設(shè)6根直徑400mm、長(zhǎng)20m的PHC管樁，通過(guò)對(duì)既有碼頭混凝土頂面進(jìn)行鑿毛、植筋，澆筑混凝土承臺(tái)，將樁基與原有基座墻體連接成為一體。如圖1所示。

3加固方案簡(jiǎn)化驗(yàn)算方法

鑒于碼頭改造項(xiàng)目前期缺少基礎(chǔ)資料的特點(diǎn)，建議碼頭加固方案按以下情況進(jìn)行簡(jiǎn)化驗(yàn)算：

（1）一般情況下，采用下式進(jìn)行驗(yàn)算：

——原結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值;

——新增加作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值;

——原結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)限值;

——新增加抗力效應(yīng)限值;

公式（1）成立，則驗(yàn)算滿足要求。

（2）當(dāng)C-S不明確時(shí)，在檢測(cè)評(píng)估認(rèn)定碼頭目前使用狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，不考慮原有碼頭富裕量，可按下式進(jìn)行簡(jiǎn)化驗(yàn)算：

4穩(wěn)定性分析

4.1抗滑穩(wěn)定性分析

該碼頭面荷載未發(fā)生變化，在樁基承臺(tái)分擔(dān)碼頭面荷載的情況下，可變土壓力與原碼頭實(shí)際減小很多。由于承臺(tái)混凝土的存在，減小了墻后填土高度，因而，主動(dòng)土壓力也是減小的。因此，。

固定吊機(jī)自重增加，對(duì)抗滑穩(wěn)定有利，。

因此，根據(jù)公式（2），可判定改造后碼頭抗滑穩(wěn)定。

4.2抗傾覆穩(wěn)定性分析

考慮固定吊向海側(cè)與碼頭前沿線垂直作業(yè)的最大作用效應(yīng)工況。

由4.1條分析，可知墻后土壓力減小，土壓力的傾覆作用效應(yīng)減小，不考慮這部分有利因素。左端存在向海側(cè)傾覆力矩，右側(cè)增加了后方改造后的擴(kuò)大基礎(chǔ)、承臺(tái)、樁基的自重以及樁基抗拔力作用產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩。

實(shí)際上僅新增混凝土承臺(tái)提供的抗傾覆力矩即足以抵抗增加的傾覆力矩，經(jīng)驗(yàn)算：，其中僅為新增混凝土承臺(tái)提供的抗傾覆力矩，顯然，結(jié)構(gòu)加固滿足抗傾驗(yàn)算要求。

4.3整體穩(wěn)定性分析

因?yàn)闃痘信_(tái)承擔(dān)了上部荷載向下傳遞的作用效應(yīng)，其他荷載工況下加固方案明顯有利。因此，只需驗(yàn)算固定吊向岸側(cè)與碼頭前沿線垂直作業(yè)的最大作用效應(yīng)狀態(tài)。

文獻(xiàn)[2]中作用于危險(xiǎn)滑動(dòng)面上的滑動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)值計(jì)算公式為：

由該式可得，碼頭改造后，該式增加=Δ吊機(jī)傾覆力矩+Δ新增混凝土承臺(tái)自重效應(yīng)。

碼頭加固造后危險(xiǎn)滑動(dòng)面抗滑力矩，由樁基豎向承載力提供的抵抗。

根據(jù)公式（2），只要樁基豎向承載力作用效應(yīng)>=，則可認(rèn)為改造后整體穩(wěn)定性滿足要求，樁基豎向承載力與結(jié)構(gòu)自重作用差值與固定吊向岸方向最大傾覆彎矩形成力矩平衡。依據(jù)力矩平衡，樁基豎向承載力設(shè)計(jì)值需滿足：

D——樁基到固定吊中心距;N——樁基數(shù)量。

可根據(jù)公式（3）進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)。

由公式（2）驗(yàn)算：

經(jīng)驗(yàn)算：，其中僅為新增混凝土承臺(tái)提供的抗傾覆力矩，顯然，結(jié)構(gòu)加固滿足抗傾驗(yàn)算要求。

4.4基床與地基承載力分析

文獻(xiàn)[1]中第2.5.3條與式，經(jīng)整理得：

由4.2節(jié)可知，樁基的抗傾覆力矩大于固定吊最大工作力矩，能夠?qū)崿F(xiàn)自我平衡，所以固定吊在基座底部不會(huì)產(chǎn)生扭矩。故而該處僅有固定吊最大的豎向力荷載F（單寬）作用。

由公式（3），可推得新增基床頂面最大應(yīng)力為：

由于公式（4）中，固定吊基礎(chǔ)中心位置距離前趾距離，則。所以，改造后基床頂面最大應(yīng)力不發(fā)生變化，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中2.5.2條，基床承載力滿足要求。

同理，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中2.5.6條及2.5.7條，驗(yàn)算地基承載力也滿足要求。

5樁基在重力式碼頭改造應(yīng)用中的作用效應(yīng)分析

5.1樁基對(duì)抗滑穩(wěn)定作用效應(yīng)

樁基與重力式墻體二者共同作用的機(jī)理尚未明確。當(dāng)重力式墻體發(fā)生位移時(shí)，也就是說(shuō)墻體從靜態(tài)變成動(dòng)態(tài)、再由動(dòng)態(tài)變成靜態(tài)重新平衡，這一過(guò)程中的慣性力無(wú)法確定，重新平衡位移的大小也不好確定，因而樁基水平承載力能夠達(dá)到的作用效果不好掌握。

另外，樁基水平承載力是因位移產(chǎn)生的。基底摩擦界面剪切產(chǎn)生的位移很小，雖然足以使墻后土壓力充分發(fā)揮，但使樁基產(chǎn)生水平力的作用并不大。能夠充分發(fā)揮樁基水平承載力的位移，只能建立在重力式墻體發(fā)生滑移或傾覆失穩(wěn)的基礎(chǔ)上，然而這種伴隨土壓力作用下的重力式墻體位移是不可逆的。也就是說(shuō)，即使在樁基水平承載力作用下達(dá)到了平衡穩(wěn)定，那么樁基也將會(huì)長(zhǎng)期處于水平受力的疲勞狀態(tài)，對(duì)其耐久性顯然是不利的。

因此，針對(duì)樁基改造方案，不宜考慮樁基水平承載力對(duì)抗滑的作用。

5.2樁基對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性效應(yīng)

在抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算中，圖1的樁基加固方案，樁基以其穩(wěn)定的豎向承載力明顯增加了對(duì)原有結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定作用效應(yīng)，在這一點(diǎn)上結(jié)構(gòu)受力顯然是明確的。

向海側(cè)抗傾覆穩(wěn)定力矩增加量為：M承臺(tái)+M樁抗拔。

5.3樁基對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性作用效應(yīng)

由3.1條，同樣不建議考慮樁基的抗滑作用。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]中6.3節(jié)公式，樁基可以提供抗傾覆作用，進(jìn)而減小土條頂面可變作用的不利效應(yīng)。

5.4 樁基對(duì)重力式墻體基床與地基承載力作用效應(yīng)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中2.5.3條，在墻底寬度不變的情況下，基底應(yīng)力受豎向合力標(biāo)準(zhǔn)值、穩(wěn)定力矩與傾覆力矩差值影響。

由3.2節(jié)，可知樁基改造形式，可以有效縮小，減小偏心距，使基床頂面最大應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值降低。

6結(jié)論與建議

采用在吊機(jī)承臺(tái)后方增加樁基的加固方案，對(duì)提升吊機(jī)荷載的效果明顯。樁基在類似重力式碼頭改造中對(duì)改善結(jié)構(gòu)抗傾覆、整體穩(wěn)定性以及基底和基床應(yīng)力的作用明顯。

文中提出的碼頭改造的結(jié)構(gòu)、地基應(yīng)力等驗(yàn)算簡(jiǎn)化公式，可作為同類項(xiàng)目在前期缺少資料時(shí)承載力方案階段的估算參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] JTS167-2018，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JTS147-2017，水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].