已建系纜墩結(jié)構(gòu)承載力評(píng)估方法研究

張嘉泰，張駿珂

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.天津臨港威而豪石化碼頭有限公司，天津 300452）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展的大背景下，為儲(chǔ)備吞吐能力，碼頭泊位往往將系纜更大噸位船舶納入設(shè)計(jì)工況，方便以后對(duì)該泊位進(jìn)行釋能升級(jí)的改造。依據(jù)JTS 304—2019《水運(yùn)工程水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》[1]的要求，進(jìn)行升級(jí)改造的碼頭泊位需重新進(jìn)行安全性、適用性、耐久性的評(píng)估。對(duì)高樁墩式結(jié)構(gòu)而言，安全性評(píng)估是以子單元為單位對(duì)各類(lèi)構(gòu)件進(jìn)行承載力的計(jì)算，其中樁基礎(chǔ)是高樁墩式結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造升級(jí)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的單元，樁的承載能力直接影響高樁墩式結(jié)構(gòu)的整體承載能力。

通常高樁墩式結(jié)構(gòu)整體承載力應(yīng)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果、竣工資料以及原勘察設(shè)計(jì)等文件確定，若存在評(píng)估資料缺失的情況則需進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)勘察、檢測(cè)工作。在判定結(jié)構(gòu)承載力的方法中，原型試驗(yàn)是在實(shí)際結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，比任何模型試驗(yàn)或分析計(jì)算都更接近于結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，具有很強(qiáng)的直觀(guān)性和說(shuō)服力。然而適用于檢測(cè)碼頭結(jié)構(gòu)整體承載力的原型試驗(yàn)方法，目前行業(yè)內(nèi)尚缺乏足夠的成功應(yīng)用的案例。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)高樁碼頭豎向承載力的原型試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，其中翁友法等[2]采用堆載加載的方式進(jìn)行荷載試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)構(gòu)件的位移和應(yīng)變；孫熙平等[3]在不破壞碼頭現(xiàn)有上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了原位堆載試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模型計(jì)算手段確定了碼頭的基樁豎向承載力；侯建飛等[4]采用原位堆載試驗(yàn)為高樁碼頭預(yù)留結(jié)構(gòu)可否繼續(xù)使用提供判定依據(jù)。上述原型試驗(yàn)均采用試塊堆載方式加載，并參考了JTJ 237—2017《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》[5]中關(guān)于單樁軸向抗壓靜載荷試驗(yàn)的加載、卸載終止條件。目前，檢測(cè)單樁水平承載力的方法為單樁水平靜載試驗(yàn)，該方法通過(guò)在自由端樁頂施加水平荷載，測(cè)量樁的水平位移來(lái)確定試驗(yàn)樁的水平極限承載力，推定水平地基反力系數(shù)，已在工程中得到廣泛應(yīng)用[6]。但關(guān)于高樁墩式結(jié)構(gòu)水平承載力的原型試驗(yàn)實(shí)例和研究極少，確定高樁墩式結(jié)構(gòu)整體水平承載力的原型試驗(yàn)，缺乏普遍認(rèn)可的試驗(yàn)步驟和判定標(biāo)準(zhǔn)。

本文以天津港某已建預(yù)留系纜墩的承載力判定過(guò)程為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用有限元軟件對(duì)系纜墩進(jìn)行了仿真模擬，計(jì)算最不利工況及破壞荷載預(yù)估值，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果制定了系纜墩承載力原型試驗(yàn)的分級(jí)及控制標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了原型試驗(yàn)的加載和觀(guān)測(cè)方式，為高樁墩式結(jié)構(gòu)整體的承載力的判定提供了一種解決思路。

1 工程概況

天津港某高樁碼頭在建設(shè)時(shí)預(yù)留一系纜墩為泊位整體釋能升級(jí)作承載能力儲(chǔ)備，現(xiàn)碼頭泊位存在釋能升級(jí)需求，應(yīng)對(duì)該系纜墩的系纜能力進(jìn)行評(píng)估。由于該預(yù)留系纜墩自建成起一直未投入使用，缺少定期的檢測(cè)維護(hù)，構(gòu)件材料和土體的特征變化可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體承載能力變化。此外，該項(xiàng)目還存在部分資料缺失情況，僅憑原設(shè)計(jì)資料對(duì)該結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有狀態(tài)尤其是樁基承載力進(jìn)行核算缺乏說(shuō)服力。綜合考慮上述原因，決定采用數(shù)值計(jì)算結(jié)合原型試驗(yàn)的方法為預(yù)留系纜墩的承載能力評(píng)估提供可靠依據(jù)。

預(yù)留系纜墩于2014 年建成，水工結(jié)構(gòu)按10萬(wàn)噸級(jí)油船設(shè)計(jì)。系纜墩為高樁墩臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，墩臺(tái)長(zhǎng)13 m、寬11 m、高2 m，墩臺(tái)面的東北、西北角分別布置1 個(gè)1 000 kN 快速脫纜鉤和1 個(gè)1 000 kN 系船柱，墩臺(tái)下方布置16 根壁厚16 mm的φ800 mm 鋼管樁，樁長(zhǎng)為38～39 m，樁頂高程為4.10 m，樁底高程-32.9～-33.16 m，管樁鋼材為Q345，墩臺(tái)混凝土為C40，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，系纜墩布置圖如圖1 所示。

圖1 系纜墩布置圖（mm）Fig.1 Layout drawing of mooring pier（mm）

進(jìn)行原型試驗(yàn)前，已對(duì)系纜墩鋼管樁和墩臺(tái)進(jìn)行了外觀(guān)、實(shí)體、測(cè)量等檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在明顯的損傷及不滿(mǎn)足使用要求等情況，依據(jù)規(guī)范[1]評(píng)定該系纜墩結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性均為A 級(jí)。

2 數(shù)值建模計(jì)算

試驗(yàn)系纜墩為高樁墩式結(jié)構(gòu)，其下部鋼管樁布置方式復(fù)雜，宜建立空間模型計(jì)算，此次結(jié)構(gòu)承載力的計(jì)算采用有限元軟件SAP2000 進(jìn)行。

模型的樁土相互作用關(guān)系采用“m 法”，該理論將基樁的入土部分視為放置于彈性地基中的豎向基礎(chǔ)梁，m 值則為樁側(cè)地基土的水平抗力系數(shù)隨樁身入土深度增加的綜合比例系數(shù)，是反應(yīng)樁土相互作用的重要參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的準(zhǔn)確性影響很大。該方法相較于假想嵌固點(diǎn)法在高樁碼頭結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算中精度相對(duì)較高[7]。

2.1 模型參數(shù)

使用具有結(jié)構(gòu)分析功能的有限元軟件SAP2000對(duì)系纜墩進(jìn)行三維建模（見(jiàn)圖2），墩臺(tái)和鋼管樁的尺寸、位置及材料特性等參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。樁頂插入混凝土墩臺(tái)，采用剛性連接，土體對(duì)樁的約束通過(guò)在各土層中點(diǎn)及樁底端建立土彈簧[8-9]實(shí)現(xiàn)。各土層的彈簧剛度按JTG 3363—2019《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中的公式計(jì)算：

圖2 系纜墩模型Fig.2 Mooring pier model

式中：hi為各土層厚度，m；b0為樁的換算寬度，m，取1.2 m；mi為各土層地基土水平抗力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的比例系數(shù)，kN/m4；zi為各層土的中心到地面的距離，m。

模型的土層分布情況、m 值及換算的彈簧剛度值見(jiàn)表1，土體泥面標(biāo)高為-14.0 m。

表1 土層分布Table 1 Soil layer distribution

2.2 計(jì)算工況

為評(píng)估該系纜墩的系纜能力，需計(jì)算其在最不利工況下能否承受施加在快速脫纜鉤或系船柱上的1 000 kN 的設(shè)計(jì)系纜力。因此，根據(jù)系纜墩的實(shí)際系纜情況，將系纜力標(biāo)準(zhǔn)值取為1 000 kN，作用于快速脫纜鉤。

系纜墩的永久荷載為：結(jié)構(gòu)自重；可變荷載主要包括系纜力和波浪力。系纜力方向沿水平和垂向分解為α、β，共驗(yàn)算6 個(gè)方向：α=0°（垂直前沿）、45°、90°；β=16°、2°，其中β 為設(shè)計(jì)船型（10 萬(wàn)噸油船）分別在極端高水位（5.88 m）和極端低水位（0.50 m）滿(mǎn)載吃水時(shí)高度對(duì)應(yīng)的系纜夾角。波浪力作用于管樁正向和墩臺(tái)底部托浮，按極端高水位時(shí)的設(shè)計(jì)波浪要素：H1%=2.60 m，T=4.9 s。

將系纜墩的永久荷載與可變荷載進(jìn)行組合，驗(yàn)算工況如表2 所示。

表2 承載能力極限狀態(tài)下的持久組合工況Table 2 Endurance combined working conditions under ultimate bearing capacity limit state

2.3 安全性評(píng)估結(jié)果

計(jì)算各工況下墩臺(tái)及鋼管樁的作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值，包括：墩臺(tái)應(yīng)力、壓樁力、拉樁力、對(duì)應(yīng)樁身彎矩以及樁身最大應(yīng)力，將計(jì)算結(jié)果與抗力進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)構(gòu)整體的安全系數(shù)K，如表3 所示。

表3 評(píng)估計(jì)算結(jié)果Table 3 Evaluate calculation results

鋼管樁單樁的軸向承載力依據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[11]中的土層推薦值計(jì)算得到：?jiǎn)螛犊箟撼休d力設(shè)計(jì)值為3 283 kN、抗拔承載力設(shè)計(jì)值為2 556 kN。

系纜墩的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，系纜力為1 000 kN 時(shí)，各子單元均未發(fā)生損壞，結(jié)構(gòu)整體的安全系數(shù)最小值為1.12。安全性評(píng)估等級(jí)為A，滿(mǎn)足極限承載力的要求。

3 原型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，采取了現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)的方法對(duì)系纜墩進(jìn)行拉力測(cè)試，模擬船舶作業(yè)時(shí)的系纜狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3 Photos of the test site

3.2 難點(diǎn)分析

本次針對(duì)系纜墩進(jìn)行拉力試驗(yàn)主要存在以下3 個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

1）反力系統(tǒng)搭設(shè)，系纜墩距碼頭平臺(tái)較遠(yuǎn)，若采用對(duì)拉方式施加反力，則存在較大安全隱患，若就近架設(shè)反力梁，則需重新打樁，成本過(guò)大。

2）觀(guān)測(cè)系統(tǒng)搭設(shè)，對(duì)結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行觀(guān)測(cè)需架設(shè)基準(zhǔn)梁，同樣存在成本過(guò)大的問(wèn)題。

3）結(jié)構(gòu)安全性，對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行原型試驗(yàn)，首要考慮保證結(jié)構(gòu)不被破壞，因此需制定合理的試驗(yàn)荷載。

3.3 試驗(yàn)方法

綜合考慮上述因素，對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

1）加載方法采用拖輪通過(guò)纜繩拖拉墩臺(tái)面上具有測(cè)力功能的快速脫纜鉤實(shí)現(xiàn)。

2）觀(guān)測(cè)方法采用具備點(diǎn)位追蹤功能的MS60自動(dòng)測(cè)量機(jī)器人連續(xù)測(cè)量墩臺(tái)面上的點(diǎn)位位移。

3）試驗(yàn)荷載值為600 kN，荷載方向?yàn)棣?0°、β=2°（α、β 分別為沿水平和垂向夾角），采用單向單循環(huán)水平維持荷載法，加載時(shí)每級(jí)以0.2 倍的試驗(yàn)荷載加載，卸載時(shí)取2 倍加載級(jí)。

拖輪加載是采用動(dòng)荷載模擬靜荷載，每級(jí)加載需等荷載值穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù)，因此，制定讀數(shù)方式為：在試驗(yàn)開(kāi)始后，對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行頻率為10 s/次的連續(xù)測(cè)讀，同時(shí)記錄快速脫纜鉤的拉力示值，每荷載級(jí)的持荷時(shí)間為5 min。

試驗(yàn)過(guò)程中符合下列條件之一時(shí)，可終止試驗(yàn)加載并進(jìn)行分級(jí)卸載：1）達(dá)到試驗(yàn)荷載；2）某級(jí)荷載作用下，墩臺(tái)頂部水平位移急劇增加、位移速率明顯增大；3）鋼管樁樁身出現(xiàn)斷裂或墩臺(tái)出現(xiàn)損壞。

3.4 試驗(yàn)內(nèi)容

以墩臺(tái)面觀(guān)測(cè)點(diǎn)的水平位移為控制參數(shù)，本次試驗(yàn)共設(shè)置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于墩臺(tái)面的4 個(gè)角點(diǎn)處，命名為D1—D4，測(cè)點(diǎn)編號(hào)及位置示意圖如圖4 所示，圖中θ 為位移方向角，逆時(shí)針為正。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采集的原始數(shù)據(jù)為測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，將數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到各測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程中的總位移變化曲線(xiàn)如圖5 所示。

由分析過(guò)程中的位移曲線(xiàn)可知，拖輪加載的特征為：加載階段時(shí)荷載值與位移值會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，隨后船體達(dá)到平衡狀態(tài)，在持荷階段荷載值與位移曲線(xiàn)趨于平穩(wěn)，在一個(gè)小區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)可近似視為靜持荷狀態(tài)。

提取各測(cè)點(diǎn)在每級(jí)加載下穩(wěn)定持荷階段的位移值，剔除波動(dòng)偏離較大的數(shù)據(jù)后，取平均值作為該荷載級(jí)的位移代表值（見(jiàn)圖5），結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 各級(jí)加載試驗(yàn)結(jié)果匯總表Table 4 Summary of loading test results at different levels

3.6 試驗(yàn)結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果看出，測(cè)點(diǎn)位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的“階梯狀”，與荷載級(jí)的加載、持荷時(shí)間對(duì)應(yīng)，且持荷過(guò)程位移也較為穩(wěn)定。試驗(yàn)過(guò)程未出現(xiàn)某級(jí)荷載位移明顯增大情況，說(shuō)明系纜墩結(jié)構(gòu)和樁周?chē)馏w基本處于彈性階段。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)各鋼管樁及墩臺(tái)的外觀(guān)進(jìn)行了排查，未發(fā)現(xiàn)損傷部位。

為分析數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，根據(jù)試驗(yàn)工況建立模型，計(jì)算參數(shù)與評(píng)估模型一致，僅按照試驗(yàn)步驟分級(jí)施加系纜拉力。各荷載級(jí)下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)位移代表值對(duì)比圖見(jiàn)圖6。

圖6 實(shí)測(cè)位移與數(shù)值計(jì)算位移對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of measured displacement and numerical calculation displacement

從圖6 可以看出，試驗(yàn)過(guò)程中，各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合，加載至600 kN 時(shí)，位移值最大差距不超過(guò)7%。同時(shí)，數(shù)值計(jì)算也驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，證明了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)預(yù)留系纜墩結(jié)構(gòu)的承載力評(píng)估提出了一種經(jīng)濟(jì)、可靠的論證方法，即采用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性計(jì)算，并根據(jù)原型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

為解決系纜墩原型試驗(yàn)中搭設(shè)加載、觀(guān)測(cè)系統(tǒng)困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以拖輪加載、采用測(cè)量機(jī)器人MS60 觀(guān)測(cè)位移的方法。試驗(yàn)結(jié)果顯示，系纜墩在持荷階段的位移較穩(wěn)定，可近似當(dāng)作靜態(tài)位移。提取各測(cè)點(diǎn)的位移代表值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，證明了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)也驗(yàn)證了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性和試驗(yàn)過(guò)程的可靠性。可為類(lèi)似工程提供借鑒實(shí)例。