某LNG碼頭棧橋墩預制殼體結構設計

劉曉輝，孔令臣，武萬國，楊淯淮

（中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461）

0 引言

棧橋墩臺有重力式和高樁墩臺式2種，在開敞式碼頭中，用得最廣泛的是高樁墩臺式結構，它透空性好、波浪反射小，波浪和海流的阻力較小。高樁墩臺一般做成剛性結構，多采用鋼筋混凝土結構，其結構形式有實體式、空箱式、剛架式和桁架式4種。實體式高樁墩由鋼筋混凝土澆筑而成，具有自重大、耗鋼量少、施工方便的特點，并且墩臺剛度、結構的整體性好，樁基布置不受墩臺結構的約束?？障涫阶灾剌p、耗鋼量大，施工麻煩，承受的水平荷載較小。剛架式和桁架式由鋼筋混凝土桿件組成，節(jié)約混凝土，鋼筋用量大，但施工不便，一般適用于水位差較大的內(nèi)河碼頭。對于外海開敞式情況，一般采用實體式高樁墩臺結構。

目前，高樁墩臺式棧橋墩施工工序主要為下部樁基施工與上部墩臺的混凝土澆筑，其中上部現(xiàn)澆墩臺水上施工需支立墩臺模板，綁扎墩臺鋼筋，澆筑混凝土。對于外海無掩護的工程，施工海域條件惡劣，受海域潮位、波浪等自然條件影響明顯[1-2]，水上可作業(yè)時間少，機械作業(yè)效率低，現(xiàn)澆墩臺施工進度無法保障，且影響墩臺施工質(zhì)量。因此，此類工程上部現(xiàn)澆墩臺施工通常采用鋼套箱或混凝土套箱作為臨時施工模板[3-4]，在套箱內(nèi)部澆筑主體結構，但施工完成后需拆模工作。

1 工程概述

本研究依托北方某LNG碼頭工程，工程位于曹妃甸港區(qū)，棧橋?qū)挾?5 m；每間隔53 m設置棧橋墩，每間隔212 m在棧橋墩西側設置補償平臺（24 m×20 m）。棧橋墩平面尺寸15 m×8 m，頂高程為10.5 m，墩底高程5.25 m（見圖1）。

圖1 棧橋墩斷面圖Fig.1 Section of trestle pier

項目設計高水位為2.91 m，施工期不承受浮托力。上部結構采用鋼筋混凝土墩臺，為減輕自重，墩臺中間采用空心結構，基礎采用8根φ1 600mm鋼管樁，均為斜樁，樁基伸入墩臺0.5 m。墩臺主受力筋為φ28@125 mm，單座棧橋墩混凝土量為379.20 m3，總重約為948 t。

2 預制棧橋墩殼體結構設計

針對原現(xiàn)澆棧橋墩支座以下的現(xiàn)澆混凝土結構（圖1中標高5.25～7.25 m范圍），探討采用預制殼體的可能性并完成相關設計研究工作[5-8]。

2.1 相關要求

1）殼體主尺度

施工采用起重船吊裝作業(yè)，起重船最大起吊重量為400 t。參考以往類似工程，棧橋墩預制殼體的方案有側壁開孔+不可拆卸支撐型鋼方案、可拆卸型鋼梁+樁芯預埋支撐型鋼方案等，但上述方案均用到大量型鋼，且存在支撐體系轉(zhuǎn)換的工作，經(jīng)濟性和施工便利性有所欠缺?？紤]預制殼體為主體結構的一部分，擬將殼體支撐結構調(diào)整為鋼筋混凝土梁，墩臺混凝土澆筑時不用拆卸，既節(jié)省支撐型鋼，又避免了支撐體系轉(zhuǎn)換，與類似工程采用的混凝土套箱相比有較大優(yōu)勢。

棧橋墩預制殼體長15 m，寬8 m，高2 m，側壁厚0.25 m，底板厚度0.3 m（圖2）。在殼體內(nèi)部同時設置4道混凝土支撐梁，用于殼體的起吊、安放。支撐梁中心至殼體頂0.8 m，其尺度為0.4 m×0.8 m（寬×高）。殼體總重約為140 t，可滿足起重船的起重要求。殼體側壁、底板厚度，支撐梁尺度及吊點位置根據(jù)計算確定。

圖2 棧橋墩殼體結構斷面圖Fig.2 Structural section of trestle pier shell

2）殼體底板開孔

樁基直徑1.6 m，樁基伸入墩臺0.5 m。樁基為斜樁，樁基施工完畢后在波浪潮流的作用下可能發(fā)生偏位，因此底板殼體預留開孔盡量做大，殼體底板開孔直徑2.2 m，可滿足殼體吊裝及安放需求。

3）殼體主筋布置

殼體主筋為墩臺主筋，殼體底板開孔后，為避免彎折的主筋對殼體安放產(chǎn)生影響，考慮主筋深入開孔內(nèi)后即向上彎折，待殼體安放完畢后配置U形筋與該向上彎折鋼筋焊接形成統(tǒng)一整體，滿足原設計要求。底層樁頂加強筋提前預埋至殼體底板中，同樣采用U形筋處理方式補強。

支撐梁會對4～5根樁芯混凝土鋼筋產(chǎn)生影響，待殼體安放完成后，采用L形鋼筋進行補強，滿足原設計要求。

4）殼體內(nèi)澆筑混凝土

為避免殼體內(nèi)澆筑混凝土水化熱導致殼體出現(xiàn)裂縫，采取如下措施：1）殼體內(nèi)混凝土分層澆筑，每層澆筑厚度為0.8～0.9 m；2）調(diào)整混凝土配合比，控制水泥用量，摻加緩凝劑、減水劑等。

2.2 設計思路

為提高施工效率，縮短實施工期，預制殼體提前在預制場完成預制，通過駁船運輸至施工現(xiàn)場，經(jīng)定位安裝至樁基頂部，樁頂埋設加強筋后，澆筑封底混凝土，待完成所有預留開孔加強筋埋設后，澆筑承臺一期混凝土。鋼殼體與樁基連接后，綁扎鋼筋，分層澆筑混凝土。棧橋墩預制殼體結構主要由預制殼體、支撐型鋼組成。

1）預制殼體

預制殼體由4個側壁板、開孔底板、支撐梁組成。其中側壁板及開孔底板主要起模板的作用。

混凝土支撐梁與殼體側壁形成整體，主要作用為吊裝、支撐殼體。

預制殼體側壁板厚度、吊裝梁的主尺度需要結合起重船的起重能力，核算殼體吊運、安裝、澆筑內(nèi)部混凝土等工況的殼體內(nèi)力來確定。預制殼體時，需同時將墩臺側壁及底板主受力筋、預埋件等預埋到位。

2）支撐型鋼

支撐型鋼作為殼體的支撐結構，預埋在鋼管樁樁芯混凝土內(nèi)，滿足受力及穩(wěn)定性的要求。

2.3 結構受力計算

通過有限元軟件Autodesk Robot Structural Analysis（以下簡稱Robot）構建計算模型。棧橋墩預制殼體結構分為上部殼體的預制和安裝，針對施工工序，分別建立吊運模型與安裝模型。殼體底板長15 m、寬8 m、厚0.3 m，殼體側壁板1長15 m、寬2 m、厚0.25 m，殼體側壁板2長8 m、寬2 m、厚0.25 m，底板上預先開8個孔，開孔直徑為2.2 m，板/殼鋼筋類型選擇RC slab。吊裝梁截面選擇矩形截面，梁寬0.4 m、高0.8 m、長8 m（圖3）。網(wǎng)格在開孔處進行局部加密處理。

圖3 吊運工況計算模型Fig.3 Calculation model of hoisting and installation conditions

設計荷載主要為混凝土自重、澆筑振搗荷載等。吊運工況計算采用六點吊方式，內(nèi)部混凝土分2次澆筑，計算工況見表1。

表1 計算工況一覽表Table 1 List of calculation conditions

根據(jù)計算結果，對殼體配筋，所選擇的側壁厚度、底板厚度均能滿足設計及使用要求。

3 棧橋墩預制殼體施工流程

3.1 第1階段

1）打樁船進行鋼管樁插打施工；

2）采取夾樁等保護措施；

3）檢測樁頂偏位，根據(jù)檢測結果相應調(diào)整殼體開孔位置，預制鋼筋混凝土殼體。

3.2 第2階段

鋼管樁內(nèi)下放鋼筋籠，下放雙拼工字鋼，進行鋼管樁頂填芯混凝土施工。

3.3 第3階段

1）起重船安裝預制殼體，綁扎底層樁頂加強筋，澆筑封底混凝土；

2）綁扎其余樁頂加強筋，澆筑承臺第1層混凝土。

3.4 第4階段

綁扎鋼筋，澆筑承臺第2層混凝土。

4 應用效果及改進建議

4.1 應用效果

本文研究的棧橋墩預制殼體已成功應用于曹妃甸某LNG碼頭中，根據(jù)現(xiàn)場施工情況反饋，殼體安裝及混凝土澆筑等均順利完成，大幅縮短了外海施工作業(yè)時間，提高了海上作業(yè)效率。

4.2 改進建議

棧橋墩原設計并未考慮采用預制殼體工藝，因此樁基距墩臺邊緣較近，導致預制殼體底板開洞范圍與樁基偏位的適應性受到了一定的限制，當樁基向墩臺邊緣出現(xiàn)一定偏位時，底板開洞無法進一步向邊緣移動，因此在后續(xù)項目應用時，建議樁基外包寬度適當加大，為預制殼體底板開洞的位置調(diào)整留有一定空間。

棧橋墩樁基伸入墩臺結構0.5 m，預制殼體底部受力鋼筋遇預留孔需向上彎折，并配置U形筋與該向上彎折鋼筋焊接形成統(tǒng)一整體，但項目預樁彎起鋼筋較多，且U形筋的焊接質(zhì)量較難保證。后續(xù)項目應用時建議著重研究殼體受力機理，減少彎起鋼筋或采用其它樁頂連接方式。

4.3 推廣應用情況

孟加拉馬塔巴里燃煤電廠項目卸煤碼頭采用高樁梁板結構，樁帽采用預制殼體結構，樁基伸入樁帽內(nèi)100 mm，在殼體底板內(nèi)預埋型鋼作為支撐結構，避免對樁帽主筋造成影響（圖4）。該項目實施順利，已竣工驗收。

圖4 預制殼體結構在孟加拉某項目中的應用（mm）Fig.4 Application of prefabricated shell structure in a project in Bangladesh（mm）

5 結語

依托實際工程，研究了LNG碼頭棧橋墩預制殼體結構的設計方案及施工方法，結合有限元計算軟件Robot構建計算模型，對殼體結構進行受力計算。通過實際工程的驗證，預制殼體結構對提高外海無掩護水域施工作業(yè)效率有較大幫助，具有廣闊的推廣應用前景。