吳愛清，程 凱，宋成濤

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢430071）

隨著陸地石油資源的日趨匱乏，向海洋進軍，已經(jīng)成為國際性石油巨頭的共識和發(fā)展重點，海洋工程裝備的生產(chǎn)及海洋重工基地的建設具有廣闊的發(fā)展前景。目前海洋工程裝備主要在海洋重工基地后方的陸域場地上進行分段拼裝，然后在出運滑道上進行總裝，通過碼頭出運。由于本工程海洋重工產(chǎn)品重量最大近2萬噸，通過滑道出運時，滑道承載區(qū)的均布荷載將達到100 t/m2左右，遠大于普通碼頭的均布荷載，這對碼頭結構整體和上部結構的垂直承載能力提出了較高的要求。目前大多數(shù)滑道出運碼頭采用出運滑道（墩臺結構）與舾裝碼頭（高樁梁板結構）相組合的結構方式，其結構型式復雜，結構整體性及變形協(xié)調(diào)能力一般。本工程結合海洋重工產(chǎn)品出運工藝和荷載特點，采用了滑道與碼頭結構形成一體的整體墩臺結構方案。本文針對上述整體墩臺結構方案，對出運碼頭結構樁基布置、結構整體內(nèi)力計算、墩臺配筋設計以及高樁墩臺施工的特點進行了分析論述。

1 工程概述

宏華海洋啟東制造基地一期工程為整個基地的起步工程，岸線總長792 m，主要包括材料碼頭泊位1個、舾裝碼頭泊位3 個、出運碼頭泊位1 個。一期工程主要生產(chǎn)的海洋工程裝備為400 英尺自升式平臺，重16 500 t，長76 m，寬70 m，其出運通道位于岸線的的中部，由前方出運碼頭及后緣緊鄰的一組陸域滑道組成，出運碼頭長51 m，寬22 m。工程總平面布置如圖1 所示。

圖1 工程總平面布置圖Fig.1 General layout of engineering project

1.1 水文

（1）設計水位。根據(jù)工程附近多年實測潮位資料計算得本工程設計水文如下：

設計高水位：2.60 m；設計低水位：-1.88 m；極端高水位：4.29 m；極端低水位：-2.85 m。

（2）潮汐。本工程地處長江口北支，呈不規(guī)則半日潮，潮周期平均為12 h 25 min，受北支河道形態(tài)影響，潮波變形較為劇烈。

1.2 地質(zhì)

工程區(qū)域內(nèi)鉆探揭示地層主要由人工填土（Q4 ml）、全新統(tǒng)（Q4 m）及晚更新統(tǒng)（Q3 al）地層組成，其中晚更新統(tǒng)（Q3 al）（圖示第7 大單元及以下土層）揭示厚度20～35 m，以砂夾土或土夾砂層狀土、粉細砂為主，可作為本工程港工結構的樁端持力層。工程地質(zhì)典型斷面圖如圖2 所示。

圖2 工程地質(zhì)典型斷面圖

1.3 工藝荷載

根據(jù)本工程海洋工程設備的出運工藝，本工程陸域共布置4 條滑道，其中中間兩條主滑道，主滑道兩邊各布置兩條副滑道。出運碼頭滑移區(qū)域布置如圖3所示，2#、3#滑移區(qū)（對應陸域主滑道）線荷載為1 950 kN/m，工藝承載區(qū)為7 m；1#、4#滑移區(qū)（對應陸域副滑道）線荷載900 kN/m，工藝承載區(qū)域為4 m。

滑道出運過程中，出運船舶上的搖臂與出運滑道上的滑塊組相互頂接，形成一個完整的運輸通道。海工產(chǎn)品出運過程中作用于滑塊組上的摩擦力與船舶搖臂對滑塊組的水平推力相互平衡，因此出運滑道碼頭結構在海工產(chǎn)品出運過程中不承受水平力［1］。海工產(chǎn)品出運流程及受力分析圖4。

圖3 出運碼頭滑移區(qū)布置圖Fig.3 Slip zone layout of shipment wharf

圖4 海工產(chǎn)品出運流程及受力分析圖Fig.4 Offshore platforms shipment process and force analysis

2 碼頭結構設計

2.1 結構方案設計要點

海洋重工出運碼頭與普通碼頭的區(qū)別在于除了承受一般碼頭的荷載作用之外，還需承受垂直于碼頭前沿線的滑移出運荷載。在海洋重工產(chǎn)品出運過程中，滑移區(qū)上首先布置滑塊，滑塊和產(chǎn)品之間放置滑靴以減小摩擦力，產(chǎn)品自重通過滑靴和滑塊作用傳遞至滑道板上。海洋重工產(chǎn)品一般為不定型的鋼結構，其尺寸多樣及自重均較大，滑移區(qū)荷載具有比一般碼頭荷載大且荷載作用平面位置不固定等特點。針對這種荷載的特性，并結合出運碼頭的功能要求，本工程采用滑道與出運碼頭形成一體的整體墩式結構，其結構形式簡潔，結構整體性好，對后期使用過程中的各種工況組合作用情況下的適應能力強。

本工程滑道出運碼頭長約51 m，由2 個25.5 m×22 m 的整體式墩臺組成，墩臺厚度2 m。由于碼頭前沿需要進行系靠泊作業(yè)，墩臺結構受力較為復雜，且適當降低墩臺低高程有利于靠船構件的受力，故在前沿碼頭前沿一定的范圍內(nèi)增加墩臺厚度至3.2 m，中間采用倒角過渡。出運碼頭結構典型斷面如圖5 所示。

出運碼頭在承受豎線滑道荷載的同時還承受船舶荷載、水流力、地震力等水平力的作用，樁基布置應考慮垂直荷載分區(qū)、較好的結構水平抗力以及沉樁施工可行性等要求。由于滑道荷載較大，采用樁距較小的樁基布置設計，縱向排距為3 m，橫向排距為2.5 m。由于出運碼頭前方區(qū)域荷載較大，且由于受安裝靠船構件的要求導致懸臂較長，在碼頭前方布置了兩排Φ1 000 PHC 樁；同時為了提高結構整體的抗水平能力及抗震性能，墩臺后部布置了部分斜樁。為了滿足打樁船施工平面布置及避免碰樁的要求，后部樁基斜度為10：1 與12：1 兩種較陡的規(guī)格。出運碼頭樁位布置如圖6 所示。

圖5 出運碼頭結構典型斷面圖Fig.5 Typical structure profile of shipment wharf

圖6 出運碼頭樁位布置圖Fig.6 Pile arrangement of shipment wharf

2.2 結構計算

滑道出運碼頭結構采用通用有限元方法進行計算，按照三維空間結構有限元的一般方法，建立有限元模型，離散結構單元、施加節(jié)點約束及單元荷載，計算各構件的內(nèi)力和變形。根據(jù)結構自身的受力特征及各種模型模擬的優(yōu)缺點，對樁基及墩臺采用不同的模型進行模擬［2］。

樁基結構采用具有6 個自由度的桿件單元進行模擬，樁基與墩臺的連接通過對桿端約束的限制以實現(xiàn)“固接”與“鉸接”的型式；土的水平抗力系數(shù)根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》中的“m法”計算出彈簧的彈性系數(shù)施加到桿件單元上［3］；樁身豎向約束根據(jù)《高樁碼頭設計與施工規(guī)范》中的有關公式按摩擦樁計算出樁的軸向剛性系數(shù)K，施加到樁基假想嵌固點處。

墩臺結構由于受力情況復雜，采用實體模型進行模擬，根據(jù)實體單元的應力計算出墩臺的彎矩及剪力。由于滑移荷載的組合型式非常多，而實體單元的計算速度及后期處理相對較為復雜，在計算過程中可先采用板殼單元加以模擬，通過初步計算找出最不利的工況組合，然后再針對工況組合進行實體建模計算，可有效的提高計算效率。出運碼頭計算模型如圖7 所示。

通過對作用在碼頭結構上的各種荷載不利工況組合計算，分別找出針對樁基軸力、彎矩及墩臺長邊最大正、負彎矩，短邊最大正、負彎矩。碼頭結構內(nèi)力如表1 所示。

由計算結果可以看出：出運碼頭前沿布置的兩排Φ1000PHC管樁的軸力及彎矩較大，后方Φ800PHC 管樁的軸力相對較小，樁基的內(nèi)力分配較為協(xié)調(diào)，出運碼頭整體的樁基布置方案是合理的；由于碼頭結構在短邊方向承受較大的海工產(chǎn)品出運過程中的帶狀垂直荷載，承臺短邊彎矩大于長邊彎矩，墩臺結構的配筋方案中，可有針對性的進行設計。

圖7 出運碼頭計算模型圖Fig.7 Calculation model of shipment wharf

2.3 墩臺配筋

《水運工程混凝土設計規(guī)范》（JTS151-2011）中，僅對大體積混凝土受彎構件和剛性墩臺的“縱向受力鋼筋最小配筋率”進行了規(guī)定［4］，而墩臺的配筋計算方法和計算規(guī)定并未給出說明。在《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62-2004）中根據(jù)外排樁中心距墩臺邊緣的距離與承臺高度的比較，提供了按“梁式體系”與“撐桿-系桿”兩種墩臺配筋的計算方法［5］，但橋梁墩臺荷載相對單一，且位置是固定的。

本工程墩臺結構受到較大的豎向荷載及水平荷載作用，且所受的水平荷載及豎向荷載復雜、位置不固定，上述方法均不適合于本工程的墩臺配筋計算。在《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL191-2008）中明確指出“跨高比L0 /h＜5 的鋼筋混凝土深梁、短梁和厚板應按深受彎構件設計”［6］，本工程墩臺結構屬于厚板的范疇，參照本規(guī)范按深受彎構件進行配筋設計。

表1 碼頭結構內(nèi)力計算結果表Tab.1 Calculation results of wharf structure internal force

根據(jù)墩臺結構內(nèi)力計算結果按照規(guī)范要求進行墩臺配筋計算，墩臺配筋設計如下：對于3.2 m 厚度墩臺長邊方向頂面和底面均采用Φ20HRB335 級鋼，間距150 mm 的雙層鋼筋，短邊方向頂面和底面均采用Φ28HRB400 級鋼，間距110 mm 的雙層鋼筋；對于2 m厚度墩臺長邊方向頂面和底面均采用Φ20 HRB335 級鋼，間距150 mm 的雙層鋼筋，短邊方向底面采用Φ28 HRB400 級鋼，間距150 mm 的雙層鋼筋、頂面采用Φ25 HRB400 級鋼，間距150 mm 的雙層鋼筋。

針對墩臺結構所承受的荷載特性，采用了不同于《水運工程混凝土設計規(guī)范》（JTS151-2011）中所述的墩臺配筋方案，并將墩臺的長邊和短邊配筋分別進行設計，在確保結構受力要求的同時，做到了工程投資的優(yōu)化處理。

3 高樁墩臺施工要點

本工程出運碼頭高樁墩臺的施工由于受到水文、空間的限制，施工技術要求較高，施工難度較大，主要具有以下幾個特點：

（1）滑道出運碼頭位于整個碼頭的中部，且后方緊鄰陸域滑道及裝焊平臺，施工空間狹小，為滑道墩臺底部的模板承重系統(tǒng)的施工帶來困難。

（2）本工程區(qū)域潮汐現(xiàn)象十分明顯，每日實際高潮位約2.9 m、低潮位約-1.9 m，而滑道出運碼頭結構的墩臺底標高為1.6 m。在每日漲落潮過程，墩臺底模要承受較大的浮托力大，底模系統(tǒng)容易遭到破壞。

（3）由于墩臺尺寸及厚度均較大，墩臺的自重對承重系統(tǒng)的要求十分高，為了保證工程施工過程中不出現(xiàn)脫模、跑模的現(xiàn)象，需采取分層澆筑的方式進行施工。

3.1 墩臺模板承重系統(tǒng)設計

墩臺模板承重系統(tǒng)的設計合理性是工程施工是否能夠順利開展的關鍵技術［7］，其設計主要遵循以下幾點原則：

（1）施工節(jié)奏立足于“搶”，施工環(huán)節(jié)立足于“快”，趁低潮施工下節(jié)點；

（2）為了避免模板結構全閉合后承重系統(tǒng)也無法拆除的問題，采取先完成墩臺主體澆筑，預留鋼筋及澆筑缺口，后安裝靠船構件的方式解決；

（3）由于樁基間距小、墩臺自重大，大型船機設備無法進入，承重系統(tǒng)基本靠人工搭建及拆除，在滿足分層澆筑砼受力的情況下，其結構必須簡潔、輕便。

3.2 混凝土分層施工

從墩臺結構的特點及承重系統(tǒng)的承載能力等方面綜合考慮，本工程墩臺混凝土應分層澆筑。合理的分層厚度及順序，是工程施工進度和質(zhì)量的保證。

通過認真的研究分析，本工程滑道墩臺共分6 次澆筑，分層澆筑如圖8 所示。第①、②次澆筑完成下節(jié)點部分混凝土，下節(jié)點第①次澆筑厚度400 mm，第②次澆筑厚度800 mm；第③、④、⑤次澆筑完成水上滑道整體大板結構混凝土，第③次澆筑厚度300 m，至2.8 m 平臺位置，第④次澆筑厚度800 mm，第⑤次澆筑厚度900 mm，至設計頂標高4.8 m；待底模板系統(tǒng)拆除完成后，安裝靠船構件，進行第⑥次混凝土澆注（圖8 中陰影部分）。

混凝土澆注過程要均勻分布混凝土，不可堆積，超出設計布料厚度，澆注設備采用泵車。層與層澆注施工縫留設臺階狀，便于后續(xù)安裝靠船構件，同時便于頂部鋼筋整體性。

3.3 承重系統(tǒng)拆除

由于靠船構件安裝后，施工船機及人員將難以進入墩臺底部，故整個承重系統(tǒng)的拆除必須在安裝靠船構件之前（即第⑥次混凝土澆筑之前）完成。拆除工作主要分下節(jié)點承重系統(tǒng)及墩臺主體承重系統(tǒng)拆除兩步進行：第一步待下節(jié)點完成澆注后即拆除底模系統(tǒng)，鋪設完成澆筑至墩臺2.8 m 標高所需的模板系統(tǒng)；第二步待混凝土澆注至第④層，混凝土強度到70%時拆除全部底模板系統(tǒng)，然后進行上部面筋鋼筋綁扎、埋件安裝。

圖8 墩臺混凝土澆筑分層示意圖Fig.8 Sketch of concrete layered pouring

4 結論

（1）海洋工程裝備重量大，產(chǎn)品類型及尺寸多樣，出運碼頭應滿足出運工藝和荷載需要。在多種荷載的作用情況下，采用滑道與碼頭結構形成一體的整體墩臺結構方案，具有適應荷載能力強、結構整體性好的優(yōu)勢。

（2）通過對本工程滑道出運碼頭結構方案、結構計算方法以及墩臺的配筋設計的分析和介紹，總結了上述海洋重工出運碼頭設計特點。

（3）對于潮汐地區(qū)的大體積墩臺的混凝土施工，應根據(jù)工程水文及結構自身的特點，對工程的模板承重系統(tǒng)及混凝土澆筑方案進行針對性的研究和分析，制定切實可行的施工方案，以保證工程的順利實施和推進。

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［3］JTS167-4-2012，港口工程樁基規(guī)范［S］.

［4］JTS151-2011，水運工程混凝土設計規(guī)范［S］.

［5］JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.

［6］SL191-2008，水工混凝土結構設計規(guī)范［S］.

［7］周英，張曉光，陳花美.大體積混凝土高樁墩臺的施工設計［J］.中國港灣建設，2007（3）：52-54.ZHOU Y，ZHANG X G，CHEN H M. Construction design for mass concrete for platform on steel tubular piles［J］. China harbour engineering，2007（3）：52-54.