百米長(zhǎng)度分段的胸墻結(jié)構(gòu)在板樁碼頭中的應(yīng)用

文 濤，李春陽(yáng)，劉 洋，楊 旭

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

板樁碼頭是碼頭三大結(jié)構(gòu)形式之一，其結(jié)構(gòu)主要由板樁墻、拉桿、錨碇結(jié)構(gòu)、導(dǎo)梁及帽梁等組成，當(dāng)潮差不大時(shí)可以將導(dǎo)梁及帽梁合并為胸墻[1]。板樁碼頭配備軌道裝卸機(jī)械時(shí)，海側(cè)軌道一般安裝在樁基支撐的軌道梁上，軌道梁與胸墻分開(kāi)布置，胸墻尺寸較小。隨著板樁碼頭大型化的發(fā)展，由鋼管樁、鋼板樁組合而成的管板組合板樁得到廣泛應(yīng)用，該結(jié)構(gòu)中鋼板樁與鋼管樁交錯(cuò)布置，板樁墻的抗彎、抗壓能力都得到顯著提高[2]，海側(cè)軌道梁可以利用板樁墻作為基礎(chǔ)，不必單獨(dú)設(shè)置樁基，因此軌道梁進(jìn)一步與胸墻合并，合并后的胸墻集成了常規(guī)板樁碼頭的導(dǎo)梁、帽梁及軌道梁3種功能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。

對(duì)于常規(guī)板樁碼頭，板樁墻斷面類(lèi)型單一，胸墻分縫主要考慮與系船柱間距相適應(yīng)，變形縫通常設(shè)置在板樁接縫處，變形縫間距一般采用15～30 m。管板組合板樁碼頭中，板樁墻由鋼板樁與鋼管樁交錯(cuò)布置，變形縫的設(shè)置既要考慮鋼板樁與鋼管樁的間距，又要考慮其與系船柱間距相適應(yīng)，因此相鄰變形縫往往需要更大的間距。更為重要的是，為保證板樁碼頭結(jié)構(gòu)具有良好的整體性、減少胸墻結(jié)構(gòu)差異沉降或變形、解決結(jié)構(gòu)縫處鋼軌的破壞問(wèn)題，并降低營(yíng)運(yùn)期的維護(hù)成本，在胸墻設(shè)計(jì)中希望盡可能采用長(zhǎng)分段設(shè)計(jì)方案，分段長(zhǎng)度往往遠(yuǎn)大于規(guī)范的30 m上限長(zhǎng)度。

本文分析超長(zhǎng)分段胸墻的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并將分析成果運(yùn)用于廣州港南沙四期板樁碼頭工程，成功采用百米長(zhǎng)度分段的胸墻結(jié)構(gòu)，分析成果及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

廣州港南沙港區(qū)四期碼頭工程主要建設(shè)2個(gè)10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱泊位和2個(gè)5萬(wàn)噸級(jí)集裝箱泊位，該段碼頭岸線總長(zhǎng)1 460 m，碼頭結(jié)構(gòu)均按靠泊10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)底高程為-16.0 m。碼頭結(jié)構(gòu)采用管板組合板樁結(jié)構(gòu)(圖1)，前墻采用φ2 032 mm鋼管樁與Z型鋼板樁組合。組合板樁上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土胸墻，胸墻寬5.0 m、高3.7 m，拉桿間距3.35 m。板樁后根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行水泥土攪拌樁二次加固處理，墻后1.0 m以上回填泡沫輕質(zhì)土。

圖1 南沙港區(qū)四期碼頭典型斷面(高程：m；尺寸：mm)

碼頭前沿設(shè)置2條軌道，軌距35 m，采用QU120鋼軌，前軌直接鋪設(shè)在胸墻上，后軌鋪設(shè)于軌道梁上。海側(cè)軌中心距碼頭前沿線3.5 m，基距15.2 m，支腿4個(gè)，8個(gè)輪/支腿，平均輪距1.328 m，工作狀態(tài)下最大輪壓920 kN，非工作狀態(tài)下最大輪壓1 470 kN，兩機(jī)聯(lián)合作業(yè)時(shí)的最小間距為1.5 m。碼頭采用SC1250H標(biāo)準(zhǔn)反力型橡膠護(hù)舷，前沿布置1 500 kN系船柱。

南沙港區(qū)位于伶仃洋水域，當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?2.0 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫-0.5 ℃。各月的平均相對(duì)濕度在71%～85%，多年平均相對(duì)濕度為 80%，相對(duì)濕度最小為冬季，歷年最小為5%。

2 胸墻荷載分析

本項(xiàng)目胸墻高3.7 m、寬5 m，集成了常規(guī)板樁碼頭中導(dǎo)梁、帽梁及軌道梁三者功能，受到多種荷載共同作用：水平方向受到船舶荷載及墻后土壓力作用、豎直方向主要受到門(mén)機(jī)荷載作用、軸線方向主要受到溫度及混凝土收縮作用。胸墻以板樁墻作為連續(xù)支撐，水平及豎直方向內(nèi)力均較小，胸墻斷面綜合考慮軌道位置、管溝尺寸、鋼管樁尺寸等因素，導(dǎo)致斷面尺寸較大，因此常規(guī)荷載對(duì)胸墻的內(nèi)力影響較小。胸墻采用超長(zhǎng)分段后，混凝土的熱脹冷縮、收縮、徐變等溫度效應(yīng)放大，引起較大的內(nèi)力及裂縫，本文對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)討論。

2.1 環(huán)境溫度應(yīng)力

混凝土所處環(huán)境的溫度變化會(huì)引起混凝土的熱脹冷縮變形，由于混凝土變形受到結(jié)構(gòu)的約束作用，導(dǎo)致產(chǎn)生了環(huán)境溫度應(yīng)力。水運(yùn)工程規(guī)范未對(duì)環(huán)境溫度計(jì)算作出詳細(xì)規(guī)定，根據(jù)楊銘元等[3]對(duì)超長(zhǎng)無(wú)分縫高樁碼頭結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的計(jì)算分析，混凝土梁及樁基結(jié)構(gòu)中均勻溫差對(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)。本文只考均勻溫差作用，依據(jù)GB 5009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]考慮以下工況：

1)均勻溫度作用分為結(jié)構(gòu)最大溫升工況和結(jié)構(gòu)最大溫降工況。

2)結(jié)構(gòu)最大溫升工況下，溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值為：

ΔTk=Ts，max-T0，min

(1)

式中：Ts，max為結(jié)構(gòu)最高平均溫度，按氣溫最高月平均溫度取值，根據(jù)GB 5009—2012取36 ℃；T0，min為結(jié)構(gòu)最低初始平均溫度，按氣溫最高月平均溫度取值，根據(jù)GB 5009—2012取6 ℃。溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值ΔTk為30 ℃。

3)結(jié)構(gòu)最大溫降工況下，溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值為：

ΔTk=Ts，min-T0，max

(2)

式中：Ts，min為結(jié)構(gòu)最低平均溫度，按氣溫最低月平均溫度取值，根據(jù)GB 5009—2012取6 ℃；T0，max為結(jié)構(gòu)最高初始平均溫度，按氣溫最高月平均溫度取值，根據(jù)GB 5009—2012取36 ℃。溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值ΔTk為-30 ℃。

2.2 混凝土收縮應(yīng)力

收縮是混凝土材料固有的特性，也是引起混凝土開(kāi)裂的主要原因之一，一般混凝土澆筑后10～30 d內(nèi)完成的收縮量占總收縮量的15%～25%，90 d一般完成60%～80%，1 a后完成95%左右[5]?；炷潦湛s的影響因素有很多，主要為水泥的品種和用量、骨料、水灰比、空氣溫度、養(yǎng)護(hù)條件、鋼筋用量等?；炷潦湛s將在超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生收縮應(yīng)力，因此在對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常將混凝土的收縮量等價(jià)轉(zhuǎn)換為溫度的降低值，稱(chēng)為混凝土收縮當(dāng)量溫差。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土收縮計(jì)算沒(méi)有統(tǒng)一的方法，國(guó)內(nèi)規(guī)范主要采用王鐵夢(mèng)[6]提出的收縮模型以及歐洲混凝土規(guī)范模型[7]，水運(yùn)工程規(guī)范未明確如何計(jì)算混凝土收縮。本文按GB 50496—2018規(guī)范[8]計(jì)算，該方法基于王鐵夢(mèng)的收縮模型，混凝土收縮的相對(duì)變形值按下式計(jì)算：

(3)

混凝土收縮相對(duì)變形值的當(dāng)量溫度可按下式計(jì)算：

Ty(t)=εy(t/α

(4)

式中：Ty(t)表示齡期為t時(shí)混凝土的收縮當(dāng)量溫度；α為混凝土的線膨脹系數(shù)，取1.0×10-5。根據(jù)公式，計(jì)算得到混凝土的收縮當(dāng)量溫度為-31 ℃。

2.3 溫差計(jì)算值

由于混凝土的收縮變形一直存在，溫升時(shí)的變形與收縮變形有抵消作用，因此只考慮溫降時(shí)的作用，溫差計(jì)算值為環(huán)境溫差與收縮當(dāng)量溫差之和，本工程取61 ℃。

3 胸墻內(nèi)力分析

3.1 建立有限元模型

根據(jù)本工程胸墻的特點(diǎn)，建立有限元模型時(shí)采用梁?jiǎn)卧M胸墻，考慮到鋼板樁剛度小，忽略鋼板樁作用，胸墻僅考慮鋼管樁支撐，樁土之間的相互作用采用線性彈簧模擬，彈簧剛度按m法取值。

常規(guī)板樁項(xiàng)目?jī)H計(jì)算垂直于碼頭方向的樁土作用，計(jì)算比較成熟，平行于碼頭方向的樁土作用缺少研究，本工程為管板組合板樁，其特殊的構(gòu)造導(dǎo)致平行于碼頭方向的樁土作用復(fù)雜：1)樁基受力狀態(tài)與普通樁基差異很大。本工程鋼管樁的中心距只有1.5倍樁徑，并且只有一半在土中，相鄰鋼管樁與板樁將墻后填土分割，鋼管樁之間的土體形成三面約束狀態(tài)，其應(yīng)力分布與普通板樁的墻后土體相差較大，更有別于普通樁基，土層深度對(duì)土體應(yīng)力的影響減弱。2)墻后軟土采用水泥攪拌樁處理，但施工時(shí)鋼管樁周邊的土體難以全面覆蓋，鋼管樁周邊仍存在一定厚度的軟土。3)鋼板樁與鋼管樁之間采用鎖口連接，鋼管樁間距變小時(shí)兩者之間的連接作用反而變小，胸墻發(fā)生收縮變形后，鋼管樁間距變小，鋼板樁會(huì)向海側(cè)變形，相鄰鋼管樁之間的擠土作用會(huì)隨著鋼板樁的變形而減弱，甚至抵消。

根據(jù)以上分析，平行于碼頭方向鋼管樁與土體之間的相互作用較小，建模時(shí)未考慮港池泥面以上的樁土作用。為研究不同分段長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，分別建立長(zhǎng)度為30、50、77、100 m的4種胸墻模型。

3.2 結(jié)果分析

100 m長(zhǎng)分段胸墻的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、3，圖2為胸墻軸心拉力，呈拋物線分布，中間大兩邊小，最大軸心拉力為2 580 kN；圖3為鋼管樁彎矩，分段中部彎矩小兩側(cè)彎矩大，鋼管樁的最大彎矩為4 340 kN·m。

圖2 胸墻軸心拉力結(jié)果

圖3 鋼管樁彎矩結(jié)果

不同分段長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，由表1結(jié)果可見(jiàn)，百米分段胸墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力遠(yuǎn)大于普通的30 m分段結(jié)果，拉力相差12倍之多；分段長(zhǎng)度由小增大時(shí)，胸墻位移呈線性增大趨勢(shì)，內(nèi)力(胸墻軸力及樁頂彎矩)均呈非線性增大趨勢(shì)，分段長(zhǎng)度越大內(nèi)力增加越快。

表1 不同胸墻分段長(zhǎng)度的內(nèi)力及位移結(jié)果

需要注意的是，本工程計(jì)算時(shí)未考慮混凝土徐變影響，胸墻在徐變的長(zhǎng)期作用下最大軸心拉力將減小，因此本工程的計(jì)算結(jié)果偏于保守。

4 項(xiàng)目實(shí)施情況

為保證胸墻混凝土耐久性、減少表面裂縫，在胸墻混凝土中添加海港型抗腐蝕增強(qiáng)劑，摻量為36 kg/m3；表層的混凝土中添加聚乙烯醇抗裂纖維，摻量為0.9 kg/m3；抗裂纖維抗拉強(qiáng)度要求大于270 MPa；公稱(chēng)長(zhǎng)度6～40 mm。施工時(shí)采用分段澆筑，分段長(zhǎng)度為20～30 m。超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)常采用后澆帶技術(shù)解決混凝土收縮問(wèn)題[9]，本工程考慮到海水潮位影響及項(xiàng)目工期緊張等因素未予采用。

目前碼頭已經(jīng)建成并運(yùn)營(yíng)超過(guò)1 a，胸墻表面裂縫較少，未發(fā)現(xiàn)通長(zhǎng)裂縫，百米分段胸墻在板樁碼頭上得到成功運(yùn)用。

5 結(jié)語(yǔ)

1)隨著板樁碼頭大型化發(fā)展，碼頭胸墻往往需要采用大于規(guī)范上限的分段長(zhǎng)度，廣州港南沙四期板樁碼頭工程成功采用了百米長(zhǎng)度分段的胸墻結(jié)構(gòu)，其分析成果及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可為類(lèi)似工程提供借鑒。

2)采用超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)分段將導(dǎo)致混凝土的熱脹冷縮、收縮、徐變等溫度效應(yīng)放大，百米分段胸墻的結(jié)構(gòu)內(nèi)力遠(yuǎn)大于普通項(xiàng)目，胸墻分段長(zhǎng)度增大后位移呈線性變大趨勢(shì)、內(nèi)力呈非線性變大趨勢(shì)，分段長(zhǎng)度越長(zhǎng)內(nèi)力增加越快。

3)考慮到管板組合板樁的特殊構(gòu)造以及本工程地基處理的實(shí)際情況，在平行于碼頭方向鋼管樁與土體之間的相互作用較小，因此計(jì)算時(shí)忽略了港池泥面以上的樁土作用，該簡(jiǎn)化具有特殊性，不一定適合其它工程。平行于碼頭方向的樁土作用影響胸墻的收縮應(yīng)力，現(xiàn)有研究并未涉及該領(lǐng)域，有待進(jìn)一步研究分析。