重力式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中國標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)的差異探討

劉成軍，謝賢舉

（中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027）

引言

喀麥隆克里比深水港二期項目地處喀麥隆境內(nèi)、東南部省會克里比市南面,西臨大西洋。本工程碼頭設(shè)計為1 個70 000 t 級集裝箱泊位（結(jié)構(gòu)按 100 000 t 級預(yù)留）和1 個100 000 t 級集裝箱泊位，碼頭長度715.5 m。本項目為政府框架EPC 總承包項目，EPC 合同中規(guī)定水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)先采用中國規(guī)范，而喀麥隆受法國影響深遠(yuǎn)，普遍采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系，業(yè)主和咨工對中國規(guī)范不了解，在設(shè)計報批的過程中遇到很大的阻力，為了讓業(yè)主接受中國標(biāo)準(zhǔn)，故對碼頭主體結(jié)構(gòu)展開了中國標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)的對比工作。

1 中標(biāo)與歐標(biāo)設(shè)計原則概述

中標(biāo)（中國標(biāo)準(zhǔn)，下同）以承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計，采用最不利的荷載作用方式來限制變形,防止產(chǎn)生很大的位移沖擊周圍的結(jié)構(gòu)。

歐標(biāo)（歐洲標(biāo)準(zhǔn)，下同）的設(shè)計準(zhǔn)則為符合最終極限狀態(tài)強(qiáng)度的規(guī)定,和使用極限狀態(tài)下的變形要求。

荷載效應(yīng)組合選用在中標(biāo)和歐標(biāo)設(shè)計中有很大的差別。中標(biāo)設(shè)計采用最不利的荷載效應(yīng)組合，而歐標(biāo)有三種設(shè)計方法各有不同，第一種方法是Design Approach 1 采用的巖土參數(shù)分項系數(shù)法，第二種方法是Design A pproach 采用的荷載和抗力分項系數(shù)法，第三種方法是Design Approach 3 采用的材料分項系數(shù)法，三種方法方法采用不同的荷載組合。一般采用第一種方法進(jìn)行設(shè)計，而該方法又可分為Combination 1 和Combination 2。

當(dāng)前設(shè)計的主要方法為以概率論為基礎(chǔ),以分項系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計法。關(guān)于分項系數(shù)中標(biāo)和歐標(biāo)的規(guī)定有一些不同，其中中標(biāo)的荷載分項系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)和抗力分項系數(shù)，將公式歸納為荷載效應(yīng)項和抗力項，這與Eurocode 7 中的Combination 1 基本一致，只是系數(shù)大小取值不同，而Eurocode 7 中的Combination 2 不僅采用了荷載與抗力分項系數(shù)，同時還引入了土體參數(shù)的折減系數(shù)。

2 中標(biāo)與歐標(biāo)條文對比

本項目碼頭計算時需要考慮的主要荷載包括自重、波浪力、系纜力、剩余水壓力、均載及其產(chǎn)生的土壓力、填料土壓以及門機(jī)荷載，主要驗算的內(nèi)容有主體結(jié)構(gòu)沿基床頂面與底面抗滑、基床頂面主體結(jié)構(gòu)抗傾穩(wěn)定性，基床應(yīng)力、地基承載力以及整體穩(wěn)定性驗算。

對于持久狀況的組合系數(shù)，中標(biāo)所有非主導(dǎo)可變作用的組合系數(shù)都取為0.7，而歐標(biāo)中波浪力組合系數(shù)為0.6，均載為0.7，門機(jī)荷載為0.75。

3 荷載計算條文對比

自重、均載以及門機(jī)荷載計算結(jié)果與規(guī)范無關(guān)，在此不作對比，現(xiàn)主要從其他幾種荷載為切入點進(jìn)行分析。

3.1 波浪力

1）依據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015）第10.1.1 條，波浪對直墻式建筑物的作用，通過判定墻前波浪形態(tài)，采用第10.1.2 條～10.1.9 條中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算。經(jīng)判定本項目波浪形態(tài)應(yīng)采用第10.1.3 條與10.1.4 條計算[1]。

第10.1.3 條規(guī)定：

波峰：

波谷：

第10.1.4 條規(guī)定：

波峰：

波谷：采用與第10.1.3 條規(guī)定相同計算公式。

2）根據(jù)歐標(biāo)EN BS 6349-1 第39.4.2 條中對于波浪力計算的說明，只有波峰作用的計算方法，這與日本標(biāo)準(zhǔn)OCDI 中的規(guī)定相同，因此按照OCDI中第5.2.2 條波浪力計算公式計算，該計算體系對立波和破碎波的計算公式并未做區(qū)別，而中標(biāo)是作了區(qū)分計算的，同時該計算體系中采用的波高是最大波高HD=1.8H1/3。

3.2 系纜力

1）依據(jù)中標(biāo)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）第10.2.3 條規(guī)定，海船系纜夾角宜根據(jù)船舶具體系纜情況確定，連片式碼頭也可按規(guī)范中表10.2.3 采用[2]；

表1 中標(biāo)與歐標(biāo)荷載分項系數(shù)Tab.1 Chinese standard and European standard load partial coefficient

表2 中標(biāo)不同水文對應(yīng)剩余水頭Tab.2 The residual head of different water levels according to Chinese standard

表3 歐標(biāo)不同水位對應(yīng)剩余水頭Tab.3 The residual head of different water levels according to European standard

2）根據(jù)歐標(biāo)EN BS 6349 第7.3 條規(guī)定，系纜的水平投影與前沿線的夾角一般為正負(fù)四十五度或九十度，系纜與水平面間的角度不大于二十五 度[6]。

經(jīng)計算，中標(biāo)計算出的系纜力大小為967 kN，歐標(biāo)計算出的系纜力大小為1 047 kN，最后均選用2 000 kN 系船柱。

3.3 土壓力

關(guān)于土壓力的計算中標(biāo)與歐標(biāo)公式相同，即采用庫倫土壓力計算公式，但是對于土體摩擦角的規(guī)定有差異。

主動土壓力系數(shù)：

填料土壓力：

均載產(chǎn)生土壓力：

1）依據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS 167-2018）的第7.1.18 條，垂直墻背與填料間的摩擦角取填料內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的1/3，而墻背以上外摩擦角取0[3]。

2）Eurocode7 第9.5 條規(guī)定土體與墻背之間的外摩擦角不應(yīng)超過2/3 的土體內(nèi)摩擦角，而BS 6349-2:2010 中直接取2/3 土體內(nèi)摩擦角，且墻背以上外摩擦角等于土體內(nèi)摩擦角。

圖1 歐標(biāo)BS 6349-2:2010 土體摩擦角取值示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil friction angle values according to European standard EN BS6349-2:2010

另外歐標(biāo)中對于土體參數(shù)采用了兩套方法進(jìn)行計算，即Combination1 和Combination2，其中前者不對土體進(jìn)行折減，而后者需要通過規(guī)定的折減系數(shù)對土體進(jìn)行相應(yīng)折減用于計算土壓力，折減系數(shù)詳見Eurocode7 中附錄A[8]。

3.4 剩余水壓力

中標(biāo)與歐標(biāo)剩余水壓力的計算公式相同，都是采用兩側(cè)靜水壓力差，但是兩種標(biāo)準(zhǔn)對剩余水頭的取值方法略有不同。

根據(jù)中標(biāo)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS 167-2018）第7.1.2 條關(guān)于剩余水壓力的相關(guān)規(guī)定，本項目墻后回填中粗砂，剩余水頭的標(biāo)準(zhǔn)值取平均潮差的1/4。

歐標(biāo)EN BS 6349-1 中第13.1 條規(guī)定，對于潮汐區(qū)無排水，假定地下水位取為（MHWS+MLWS）/2[5]。

圖2 歐標(biāo)EN BS6349-1 假定地下水位示意圖Fig.2 Schematic diagram of assumed groundwater level according to European standard EN BS6349-1

3.5 船舶撞擊能

1）中標(biāo)船舶撞擊能按照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）相關(guān)規(guī)定計算。

船舶靠岸有效撞擊能E0根據(jù)規(guī)范第10.4.2 條按下式計算：

系泊船舶橫浪作用下有效撞擊能Ewo根據(jù)規(guī)范（JTS 144-1-2010）附錄J 規(guī)定按以下公式計算：

對于岸壁式碼頭，分配在每組護(hù)舷上的有效撞擊能Ew根據(jù)規(guī)范（JTS 144-1-2010）附錄J 規(guī)定按下式計算：

以上公式中各參數(shù)意義及取值詳見規(guī)范（JTS 144-1-2010）第10.4.2 條及附錄J，在此不再詳述。

2）歐標(biāo)EN BS 6349-4 第5.2 條規(guī)定，對于船舶平行護(hù)舷靠泊時，船舶靠泊撞擊能采用以下公式計算[7]：

式中:E為船的撞擊能（kJ）；CM為船的附加水體影響系數(shù)；MD為船的排水量（t）；VB為船的靠岸法向速度(m/s)，靠泊速度根據(jù)規(guī)范中圖9 選取，見下圖。

圖3 歐標(biāo)EN BS 6349-4 靠泊速度VB 選取曲線圖Fig.3 Design berthing velocity as function of navigation conditions and size of vessel according to European standard BS 6349-4

上圖中a 曲線是在良好靠泊與掩護(hù)條件下；b曲線是有掩護(hù)，但靠泊比較困難；c 曲線是良好靠泊條件，但暴露在波浪或水流條件下；d 曲線是靠泊比較困難，且暴露在波浪或水流條件下；e 曲線是靠泊非常不利，且暴露在波浪或水流條件下。

CE為偏心系數(shù)；CS為結(jié)構(gòu)柔性系數(shù)；CC為結(jié)構(gòu)形式系數(shù)。

對于龍骨下富余深度大于0.1D，船舶附加水體影響系數(shù)：

偏心系數(shù)：

曲率：

方形系數(shù)Cb參考BS 6349-1中表D.2，見表4。

表4 歐標(biāo)BS 6349-1 方形系數(shù)Cb 取值查詢表Tab.4 Typical ranges of Cb according to European standard BS6349-1

表5 歐標(biāo)BS6349-2 滑動力與抗滑力組合計算公式Tab.5 Formulae for combinations of actions according to European standard BS6349-2（Ultimate limit states）

撞擊點與船舶質(zhì)心之間的距離：

對于超過50 000 DWT 的船，船舶靠泊角最大取 6 °；質(zhì)心與撞擊點連線與速度方向夾角γ=90°-α-asin（B/（2R））；一般情況下，柔性系數(shù) CS和結(jié)構(gòu)形式系數(shù) CC均取1.0；根據(jù)EN BS 6349-4 第5.1 條的規(guī)定，對于連片式岸壁碼頭應(yīng)考慮非正常撞擊能量，按照正常撞擊能的1.5倍考慮。

4 結(jié)果驗算條文對比

4.1 抗滑穩(wěn)定性驗算

1 ）依據(jù)中標(biāo)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS 167-2018），對岸壁碼頭，沿底面的抗滑穩(wěn)定性，要滿足規(guī)范第7.3.1 條的相關(guān)要求。

①不計波浪作用，可變作用產(chǎn)生的土壓力為主導(dǎo)的情況下：

②沿胸墻底的抗滑穩(wěn)定性，不計波浪作用，系纜力為主導(dǎo)的情況下：

③計波浪作用，且波浪力為主導(dǎo)的情況下：

④計波浪作用，堆載土壓力為主導(dǎo)的情況下：

2）依據(jù)EN BS EN 1997-1,Eurocode 7 第6.5.3條規(guī)定，抗滑穩(wěn)定性驗算應(yīng)滿足下式：

滑動力與抗滑力組合計算公式詳見EN BS 6349-2 附錄A3.3，見下表：

第5.3.7 條規(guī)定受力層最大深度：

抗力分項系數(shù)一般取2.0～3.0，具體根據(jù)建筑物地基土狀況，并結(jié)合其強(qiáng)度指標(biāo)的可靠性、結(jié)構(gòu)安全級別等進(jìn)行確定。

3）歐洲標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)Eurocode7 第6.5.2 條規(guī)定，地基承載力驗算應(yīng)采用以下公式：Vd

4.2 整體穩(wěn)定性驗算

1）土坡和條形基礎(chǔ)的地基穩(wěn)定性驗算，依據(jù)中標(biāo)《水運工程地基設(shè)計規(guī)范》（JTS 147-2017）的第6.3 條，按平面問題考慮，用圓弧滑動簡單條分法驗算[4]。

危險滑動面應(yīng)滿足規(guī)范（JTS 147-2017）規(guī)定的以下極限狀態(tài)設(shè)計表達(dá)式：

其中：γ'0取1.0，γR查規(guī)范表6.4.1 取1.3。

表6 中標(biāo)與歐標(biāo)計算對比匯總表Tab.6 Comparison Table of Chinese Standard and European Standard Calculation

荷載分項系數(shù)γs采用綜合分項系數(shù)1.0，利用GEO-SLOPE 軟件計算整體穩(wěn)定性。

2）依據(jù)Eurocode7 第11.5 條規(guī)定，應(yīng)對承載能力極限狀態(tài)（GEO 與STR）計算建筑的整體穩(wěn)定性，需分別采用Combination1 和Combination2 兩種方法計算；各分項系數(shù)依據(jù)規(guī)范附錄A3.1 與A3.2 選取，抗力分項系數(shù)參照附錄A3.3.5 選取，同時參照EN BS 6349-2 附錄A3.1、A3.2 與A3.3 相關(guān)組合與系數(shù)取值。對于Combination1，考慮到自重不利分項系數(shù)為1.35，有利分項系數(shù)為1.0，需要區(qū)分有利與不利，此處為了計算將自重分項系數(shù)取為1，其他荷載分項系數(shù)均除以1.35，因此安全系數(shù)采用1.35；Combination2 安全系數(shù)按照表A.5 取為1.0。

各分項系數(shù)與土體強(qiáng)度折減系數(shù)參照以上規(guī)定，采用GEO-SLOPE 軟件計算整體穩(wěn)定性，且歐標(biāo)計算中一般采用畢肖普法。

5 中標(biāo)與歐標(biāo)計算結(jié)果對比

通過對喀麥隆克里比深水港二期項目碼頭結(jié)構(gòu)分析計算對比，可得到如下結(jié)論：

1）抗滑安全系數(shù)歐標(biāo)計算結(jié)果略低于中標(biāo)計算結(jié)果；

2）抗傾安全系數(shù)歐標(biāo)計算結(jié)果高于中標(biāo)計算結(jié)果；

3）基床應(yīng)力歐標(biāo)計算結(jié)果略低于中標(biāo)計算結(jié)果；

4）地基承載力歐標(biāo)計算結(jié)果高于中標(biāo)計算結(jié)果。

綜上分析可以看出，重力式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中標(biāo)的技術(shù)要求略高于歐標(biāo)的要求。