裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用進(jìn)展*

江佳斐,薛偉辰,余 濤

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092; 2.香港理工大學(xué)土木及環(huán)境工程系,香港 999077)

0 引言

沿海國(guó)家和地區(qū)重要的交通類基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)為海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)。其中,碼頭和防波堤是典型的海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)。按下部結(jié)構(gòu)類型,碼頭分為重力式碼頭、高樁碼頭和板樁碼頭,防波堤分為斜坡式、直立式和混合式。上述海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的下部結(jié)構(gòu)多采用預(yù)制構(gòu)件,如沉箱、圓筒、樁、塊體等,但上部結(jié)構(gòu)則多采用現(xiàn)澆工藝[1]。因此,上部結(jié)構(gòu)體量占比較高的高樁碼頭、板樁碼頭及樁基透空式防波堤(直立式防波堤的一種)的預(yù)制率(預(yù)制混凝土方量占比)相比于其他海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)較低[2]。這3類結(jié)構(gòu)的建造效率低、能耗高的問(wèn)題較突出,亟待解決。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外有關(guān)裝配式高樁碼頭、板樁碼頭及樁基透空式防波堤的研究與應(yīng)用取得了一些進(jìn)展,提出了樁-預(yù)制樁帽(或預(yù)制橫梁)連接節(jié)點(diǎn)方案與構(gòu)造措施。但與建筑結(jié)構(gòu)的裝配式技術(shù)相比,適用于海岸工程的裝配式技術(shù)的研究尚屬起步階段,也未形成裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)體系。

為大力推動(dòng)裝配式技術(shù)在海岸工程等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的發(fā)展,2020年7月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家發(fā)展改革委、水利部等十三部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》,要求在包括水運(yùn)在內(nèi)的諸多行業(yè)推廣應(yīng)用裝配式技術(shù)。2021年交通運(yùn)輸部與科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的意見(jiàn)》,要求推動(dòng)交通基礎(chǔ)設(shè)施裝配化、工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化發(fā)展。

以下將介紹3類典型的裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)(高樁碼頭、板樁碼頭、樁基透空式防波堤)的特點(diǎn),總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)其力學(xué)性能、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與工程應(yīng)用的最新研究進(jìn)展。最后,對(duì)裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的前景進(jìn)行了展望。

1 典型裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)

1.1 高樁碼頭

高樁碼頭是一種適用于深水及軟弱土地基條件的結(jié)構(gòu)體系,其主體結(jié)構(gòu)由樁與不同類型的上部結(jié)構(gòu)通過(guò)一定的連接方式形成整體。按上部結(jié)構(gòu)類型分,高樁碼頭分為梁板式、無(wú)梁板式、桁架式和承臺(tái)式4類結(jié)構(gòu)體系。其中,梁板式高樁碼頭最為常用。該類高樁碼頭的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括樁帽、橫梁、縱梁與面板等(見(jiàn)圖1a),其中樁帽和橫梁一般為現(xiàn)澆。

圖1 梁板式高樁碼頭結(jié)構(gòu)與樁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

樁與樁帽或橫梁的連接常采用如圖1所示方式,根據(jù)樁身插入樁帽或橫梁的深度不同,樁節(jié)點(diǎn)分為剛接(圖1b左)和鉸接(圖1b右)(d為樁徑,l0為樁芯縱向鋼筋伸出樁頂長(zhǎng)度,l為樁伸入樁帽或橫梁長(zhǎng)度)[3],目前工程中較常見(jiàn)的為剛接。與橫梁連接的縱梁和面板一般為現(xiàn)澆或疊合構(gòu)件,縱橫梁核心區(qū)及板拼縫處均采用后澆帶施工工藝。

1.2 板樁碼頭

板樁碼頭結(jié)構(gòu)一般由板樁、鋼拉桿、帽梁(或胸墻)、導(dǎo)梁及錨碇等組成,具有對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。由于板樁是薄壁結(jié)構(gòu),其僅能在有限的插入深度范圍內(nèi)具有足夠的抗彎能力,因此板樁碼頭的靠泊能力一般較低。針對(duì)這一問(wèn)題,我國(guó)研究人員研發(fā)了一系列新型的板樁結(jié)構(gòu)形式[4-5],如卸荷式板樁碼頭(見(jiàn)圖2a)、遮簾式板樁碼頭、鋼管板樁碼頭等,通過(guò)降低板樁前的土壓力或增加板樁的抗彎剛度提高板樁碼頭的靠泊能力。

圖2 板樁碼頭結(jié)構(gòu)與板樁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

在板樁碼頭中,板樁主要為預(yù)制混凝土樁或鋼板樁,帽梁(或胸墻)多為現(xiàn)澆。板樁與帽梁(或胸墻)的連接方式多為剛接。以預(yù)制混凝土樁為例,板樁節(jié)點(diǎn)的連接方式為板樁出筋并伸入帽梁(或胸墻)一定深度(500～700mm)(見(jiàn)圖2b)[3]。該連接方式與高樁碼頭的剛性樁節(jié)點(diǎn)相似。

1.3 樁基透空式防波堤

防波堤是位于港區(qū)外圍以圍護(hù)港內(nèi)水域平穩(wěn)的建筑物,按斷面形式,分為斜坡式、直立式和混合式3種。其中,直立式防波堤用材少,用海面積小。樁基透空式防波堤是一種新型的環(huán)境友好型直立式防波堤,可實(shí)現(xiàn)港口內(nèi)外海水交換 (見(jiàn)圖3a)[6],因此成為近年來(lái)主要采用的結(jié)構(gòu)形式之一。

圖3 樁基透空式防波堤結(jié)構(gòu)與典型預(yù)制構(gòu)件

該類防波堤主要由預(yù)制樁、現(xiàn)澆承臺(tái)、擋浪板等組成。樁與承臺(tái)的連接通常采用高樁碼頭中的承插式連接方式。預(yù)制擋浪板與承臺(tái)則一般通過(guò)濕連接形成整體(見(jiàn)圖3b)。但由于擋浪板預(yù)制構(gòu)件大、其施工過(guò)程中受海洋環(huán)境影響顯著,因此目前預(yù)制擋浪板的應(yīng)用較少,迫切需研發(fā)適用于大型構(gòu)件在海洋施工環(huán)境下的高效連接方式。

2 裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)受力性能

高樁碼頭、板樁碼頭及樁基透空式防波堤這3類典型海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)均主要承受水平荷載,包括地震作用、船舶撞擊荷載、波浪作用等。

2.1 抗震性能

目前,典型海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能研究主要集中在裝配式高樁碼頭。由于板樁碼頭的抗震性能相對(duì)較好,因此該結(jié)構(gòu)的震損資料及相應(yīng)的抗震性能研究也較少。而樁基透空式防波堤是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu),其抗震性能的研究尚屬空白。以下將重點(diǎn)介紹裝配式高樁碼頭抗震性能的研究現(xiàn)狀。

裝配式高樁碼頭的抗震性能主要取決于節(jié)點(diǎn)的連接方式,尤其是樁節(jié)點(diǎn)的連接方式。朱海堂等[7]對(duì)插入式樁節(jié)點(diǎn)開展了抗彎性能試驗(yàn)研究,研究表明,該類樁節(jié)點(diǎn)的承載力與樁身插入深度相關(guān)。Roeder等[8]研究了不同鋼筋連接方式對(duì)樁節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究,研究表明,采用彎折筋錨固或螺旋筋約束鋼筋錨固的樁節(jié)點(diǎn)的抗震性能可“等同現(xiàn)澆”。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了采用超高性能混凝土作為灌漿材料的承插式灌漿連接節(jié)點(diǎn),試驗(yàn)結(jié)果表明該類節(jié)點(diǎn)抗震性能優(yōu)良[9-10]。

國(guó)內(nèi)外震害表明,高樁碼頭的震損位置多出現(xiàn)在樁節(jié)點(diǎn),難以修復(fù)。在阪神地震后,日本學(xué)者即開始研究樁節(jié)點(diǎn)的半剛性對(duì)碼頭抗震性能的影響,研發(fā)了可調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)剛度的承插式樁節(jié)點(diǎn)連接方式。研究表明,通過(guò)降低節(jié)點(diǎn)剛度,可降低地震力并優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布[11]。但總體而言,有關(guān)半剛性的裝配式碼頭抗震性能的研究仍有待進(jìn)一步開展。

2.2 抗撞擊性能

碼頭在服役期間極易受到船舶撞擊,國(guó)內(nèi)外有關(guān)船舶撞擊作用下碼頭結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的研究表明,碼頭受到船舶撞擊后的動(dòng)力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)體系、節(jié)點(diǎn)剛度等因素相關(guān)。由于板樁碼頭后方土體具有吸能作用,且結(jié)構(gòu)整體剛度大,碼頭的抗撞擊能力較強(qiáng)[12-13]。高樁碼頭節(jié)點(diǎn)剛度大,且上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量大,當(dāng)撞擊力過(guò)大時(shí),結(jié)構(gòu)的破壞易集中在樁節(jié)點(diǎn)附近[14-15]。針對(duì)這一問(wèn)題,有必要開展半剛性裝配式高樁碼頭抗撞擊性能研究。

2.3 抗浪性能

海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)在波浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)主要與結(jié)構(gòu)類型和水文條件有關(guān)。一般而言,碼頭處于有防波堤掩護(hù)的港區(qū)內(nèi),水域平穩(wěn)、波浪作用相對(duì)較小,結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題并不突出。波浪作用下,樁基透空式防波堤的動(dòng)力響應(yīng)較突出,且存在波浪與結(jié)構(gòu)的耦合作用,這一方面是由于波浪流場(chǎng)會(huì)引起樁基基頻降低及結(jié)構(gòu)阻尼比增大[16],如設(shè)計(jì)不當(dāng)將發(fā)生共振[17];另一方面,結(jié)構(gòu)響應(yīng)會(huì)擾動(dòng)其周圍水體,改變結(jié)構(gòu)的波浪荷載,即形成流固耦合作用。研究表明[18],流固耦合作用會(huì)放大樁基透空式防波堤的基樁最大位移與應(yīng)力,其響應(yīng)受結(jié)構(gòu)剛度影響顯著[19]。目前,海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的流固耦合問(wèn)題仍是國(guó)內(nèi)外研究難點(diǎn),而有關(guān)裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的研究尚屬空白。

3 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

英國(guó)頒布的BS 6349-1—1988《Maritime Structures-Part 1: Code of Practice for General Criteria》是較早涵蓋碼頭和防波堤2類海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨后,美國(guó)、澳大利亞、日本、中國(guó)等國(guó)相繼頒布了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1),上述標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與裝配式連接方式的異同點(diǎn)總結(jié)如下。

表1 海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均給出裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件類型,主要包括預(yù)制樁、疊合梁、疊合板、預(yù)制板等。我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了具體的裝配式連接方法與節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,主要包括現(xiàn)澆梁和疊合板的連接方式、疊合板拼縫構(gòu)造及樁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等。需要指出的是,與裝配式建筑結(jié)構(gòu)相比[20-21],目前海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的裝配式連接方式較單一。

2)各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)均給出裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法。美國(guó)的ASCE/COPRI 61-14詳細(xì)介紹了基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法,而包括我國(guó)在內(nèi)的其他國(guó)家則仍采用基于力的抗震設(shè)計(jì)方法。

3)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)撞擊力和波浪力的計(jì)算方法存在差異,但總體上均采用等效靜力法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力,且均未考慮裝配式連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。

總體而言,國(guó)內(nèi)外尚未系統(tǒng)形成裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)體系。

4 典型工程應(yīng)用

目前,國(guó)內(nèi)外已建成多個(gè)高預(yù)制率的裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu),典型案例如表2所示,其中多為高樁碼頭,均由預(yù)制樁和全部或部分預(yù)制梁、疊合板通過(guò)濕連接方式形成整體。典型案例包括:美國(guó)Locke公司承建的某LNG碼頭和英國(guó)倫敦的Oikos深水碼頭,其樁、橫梁、面板均為預(yù)制構(gòu)件;印度尼西亞的沙璜碼頭則采用預(yù)制樁與預(yù)制樁帽、U形模殼橫梁和疊合面板形成整體的裝配式方案,該方案顯著減小了預(yù)制構(gòu)件自重,施工速度顯著提升;連云港市徐圩港區(qū)六港池虹洋港儲(chǔ)運(yùn)碼頭是我國(guó)首個(gè)全裝配式高樁碼頭,上部結(jié)構(gòu)的橫梁和面板均采用了預(yù)制構(gòu)件,預(yù)制率達(dá)到80%以上。

表2 高預(yù)制率裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)典型案例

相比而言,裝配式防波堤的工程案例較少。印度尼西亞馬拉哈亞蒂港防波堤是典型的裝配式樁基透空式防波堤,該結(jié)構(gòu)的樁、樁帽、橫梁、擋浪板、面板均為預(yù)制構(gòu)件。在我國(guó),裝配式樁基透空式防波堤的工程案例尚屬空白,已有的裝配式防波堤工程均為斜坡式,如南通港洋口港區(qū)防波堤采用了全FRP筋預(yù)制混凝土柵欄板,上海橫沙東灘圈圍工程則采用了預(yù)制混凝土防浪墻。

總體上,裝配式高樁碼頭在國(guó)內(nèi)外已有一定應(yīng)用,而裝配式板樁碼頭和防波堤的應(yīng)用仍較少,裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用才剛剛起步。

5 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)了3類典型的裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)(高樁碼頭、板樁碼頭、樁基透空式防波堤)的特點(diǎn),綜述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)這3類結(jié)構(gòu)在地震、撞擊和波浪等作用下力學(xué)性能的研究進(jìn)展,對(duì)國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析,并介紹了典型裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

總體而言,裝配式技術(shù)在海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用起步較晚。因此,有必要研發(fā)兼顧海洋環(huán)境施工效率與受力性能要求的裝配式結(jié)構(gòu)體系與高效連接方式,提出新型裝配式海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,制定相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與圖集,推動(dòng)裝配式技術(shù)在海岸工程混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用。