沈啟亮，駱俊彬，許建武

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

工程標(biāo)準(zhǔn)作為港口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性，應(yīng)起到規(guī)范和指導(dǎo)作用[1]。為提高我國的港口工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，除了總結(jié)國內(nèi)近些年的工程經(jīng)驗(yàn)外，有必要了解國外港口工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn)。

概率理論為基礎(chǔ)的以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法在港口工程界的使用，無論是以英國外代表的國外標(biāo)準(zhǔn)還是中國標(biāo)準(zhǔn)，均是從20 世紀(jì)90年代開始的。國際上通用的是美國和歐洲等國家標(biāo)準(zhǔn)，其他很多國家當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)是基于美歐標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)體系的，為在境外港口工程中推廣中國規(guī)范，經(jīng)常需要采取多種國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析[2]。發(fā)展到目前，歐美大部分國家及中國的港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論均已逐步過渡到基于可靠度理論以分項(xiàng)系數(shù)為表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法[3]。從基于經(jīng)驗(yàn)的安全系數(shù)法的舊規(guī)范轉(zhuǎn)為以概率論為表達(dá)的基于可靠度理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，極大的提高了我國港口工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)水平,讓我國碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)躋身于世界先進(jìn)之列[4]。

對(duì)于國外高樁碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算選用不同標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果差異問題[5]，本文對(duì)于同一高樁碼頭典型斷面，采用相同的荷載標(biāo)準(zhǔn)值，通過選用中歐美日規(guī)范中的不同荷載分項(xiàng)系數(shù)，以及相應(yīng)規(guī)范中的荷載組合。計(jì)算了承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)（標(biāo)準(zhǔn)組合）下的工況，并且對(duì)比分析了應(yīng)用不同規(guī)范下的樁基和上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的結(jié)果。

1 項(xiàng)目概況

某高樁碼頭工程為一座7.5 萬t 級(jí)散貨碼頭，結(jié)構(gòu)形式為高樁梁板結(jié)構(gòu)。碼頭面高程為5.25 m，碼頭前沿水深為-15.6 m。碼頭結(jié)構(gòu)示意如圖1。

圖1 某高樁碼頭結(jié)構(gòu)示意

該碼頭長300 m，寬30 m，分為100 m 一個(gè)結(jié)構(gòu)段，設(shè)計(jì)使用年限50 年。碼頭排架間距為9.5 m，樁基采用Φ800 mm 鋼管樁和Φ1 000 mm 鋼管樁，水工結(jié)構(gòu)按7.5 萬t 級(jí)散貨碼頭設(shè)計(jì)。第一排軌道梁下方樁基為Φ1 000 mm 鋼管樁直樁，后軌道梁為一對(duì)Φ800 mm 斜率為3:1 的鋼管樁叉樁，其他3個(gè)樁為Φ800 mm 鋼管樁直樁。樁端持力層為N＞50擊的中密砂層，平均樁長28～30 m。

上部結(jié)構(gòu)為高樁梁板式結(jié)構(gòu)，樁帽高度1.2 m，橫梁高2 m，寬1.2 m，樁帽和橫梁為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。軌道梁和面板為預(yù)制結(jié)構(gòu)。軌道梁高1.4 m，寬1.2 m。預(yù)制面板厚度為450 mm，現(xiàn)澆面層厚度為150 mm，磨耗層厚度50 mm。

系船柱采用200t 系船柱，每隔19 m 間隔布置。橡膠護(hù)舷采用SC1450H (R1)鼓型橡膠護(hù)舷，吸能大于775 km，最大反力1 294 kN，間隔19 m 布置。

2 設(shè)計(jì)條件

1）地質(zhì)

碼頭所在位置原泥面高程約為-7.4～-9.6 m，碼頭前沿開挖底高程為-17.1 m，后方為-9.6 m。原泥面到-16 m 為標(biāo)貫小于10 擊的粉細(xì)砂、粘土質(zhì)砂，-16～-22.7 m 為標(biāo)貫小于50 擊（大部分約35 擊）的粘土，最下層為標(biāo)貫大于50 擊的中粗砂或礫石。

2）波浪

此港區(qū)波浪極小，本計(jì)算案例不考慮波浪作用。

3）作用標(biāo)準(zhǔn)值

堆載：碼頭面滿布20 kPa 均載。

系纜力：系纜力合力N=1 389.4 kN，其中，平行于碼頭前沿線方向分力Nx=671.0 kN，垂直于碼頭前沿線方向分力Ny=1 162.3 kN，豎向力Nz=359.6 kN?？紤]兩個(gè)系船柱受力，間隔4 跨。

撞擊力：撞擊力考慮兩個(gè)護(hù)舷作用，護(hù)舷反力1 294 kN，摩擦系數(shù)0.2，相鄰兩個(gè)護(hù)舷間隔2 跨。門機(jī)荷載：門機(jī)包括NIV 600，SIMPORTER 和KANGAROO三種型號(hào)，其中NIV 600，SIMPORTER 門機(jī)豎向力300 kN/輪，水平力30 kN/輪。KANGAROO 門機(jī)前軌輪壓為豎向力270 kN/輪和210 kN/輪（視吊臂位置，下同），水平力23 kN/輪和20 kN/輪，后軌輪壓為豎向力140 kN/輪和190 kN/輪，水平力12 kN/輪和17 kN/輪?？紤]四臺(tái)門機(jī)并列作業(yè)，荷載如圖2 所示。

圖2 某高樁碼頭門機(jī)荷載分布示意

5）有限元模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS，面板以SHELL63 單元進(jìn)行模擬，橫縱梁和樁基采用BEAM188 單元進(jìn)行模擬。樁土水平方向相互作用采用Combin39 單元進(jìn)行模擬，以P-Y曲線賦予彈簧的力-位移變化特性。模型中樁基的假想計(jì)算表面位于碼頭前沿線原泥面與實(shí)際斜坡面交點(diǎn)的中間處，如圖3 所示。

圖3 護(hù)坡結(jié)構(gòu)假想計(jì)算表面

土層參數(shù)如表1。

表1 土層力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

模型中材料特性如表2。

表2 材料力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

有限元模型如圖4、圖5。

圖4 高樁案例有限元模型斷面示意

圖5 高樁案例有限元模型整體示意

3 工況組合

結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式應(yīng)根據(jù)各種極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求，采用有關(guān)的作用代表值、材料和巖土性能標(biāo)準(zhǔn)值、幾何量及各種分項(xiàng)系數(shù)等表達(dá)。

根據(jù)各國標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)列出本案例所考慮的荷載組合工況。其中歐標(biāo)工況與國標(biāo)工況為承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)（標(biāo)準(zhǔn)組合）下的持久工況，日標(biāo)工況為基于可靠度的分項(xiàng)系數(shù)法，美標(biāo)工況為載荷及抗力系數(shù)法（LRFD）方法與允許應(yīng)力法（ASD）。各荷載縮寫如下：

DL-自重；HL-堆載；ML-系纜力；BL-撞擊力；CLH-門機(jī)風(fēng)荷載；CLV-門機(jī)荷載-僅豎向力。

1）中國標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《JTS 167-2018 碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的相關(guān)規(guī)定，本案例的設(shè)計(jì)工況組合如表3 所示。

表3 按中國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況組合

2）歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系

根據(jù)《BS 6349-1-2-2016 General -Code of practice for assessment of actions》[7]中的英標(biāo)的相關(guān)規(guī)定，本案例的設(shè)計(jì)工況組合如表4 所示。

表4 按歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況組合

3）美國標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《UFC-DESIGN: PIERS AND WHARVES》[8]的相關(guān)規(guī)定，本案例的設(shè)計(jì)工況組合如表5 所示。

表5 按美國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況組合（LRFD）

4）日本標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《OCDI-2009 日本港口工程規(guī)范》[9]的相關(guān)規(guī)定，本案例的設(shè)計(jì)工況組合如表6 所示。

表6 按日本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況組合

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)各國港口工程標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)高樁碼頭案例進(jìn)行受力計(jì)算。

分析計(jì)算結(jié)果，以國標(biāo)JTS 為基準(zhǔn)，從樁力的結(jié)果可以看出，美標(biāo)的計(jì)算值比國標(biāo)JTS 大10 %左右。歐標(biāo)EN 較中標(biāo)JTS 比較接近，歐標(biāo)的計(jì)算值比國標(biāo)JTS 小5 %左右。日標(biāo)OCDI 樁力偏小，比國標(biāo)大約小25 %。從碼頭上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也可以看出國標(biāo)JTS 和美標(biāo)UFC、歐標(biāo)EN 的結(jié)果比較接近。以承載能力極限狀態(tài)為例，橫梁內(nèi)力美標(biāo)和歐標(biāo)相比國標(biāo)差距在10 %以內(nèi)，縱梁內(nèi)力美標(biāo)和歐標(biāo)差距在6 %以內(nèi)。相對(duì)來說，日標(biāo)OCDI 計(jì)算結(jié)果要比國標(biāo)偏小，承載能力極限狀態(tài)日標(biāo)偏小20 %左右。

5 結(jié)語

通過對(duì)于國標(biāo)和歐標(biāo)工況的承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)（標(biāo)準(zhǔn)組合）的計(jì)算，以及美標(biāo)LRFD 和ASD 工況以及日標(biāo)分項(xiàng)系數(shù)法的結(jié)果。從樁力的結(jié)果可以看出國標(biāo)和美標(biāo)較為接近，歐標(biāo)較中標(biāo)美標(biāo)偏小一點(diǎn)但也比較接近，日標(biāo)樁力偏小。這是因?yàn)閲鴺?biāo)、歐標(biāo)、美標(biāo)各個(gè)荷載分項(xiàng)系數(shù)有所區(qū)別，但綜合分項(xiàng)系數(shù)較為接近，所以樁力結(jié)果差別不大。日標(biāo)的分項(xiàng)系數(shù)相比中美歐標(biāo)較小，因此樁基內(nèi)力也偏小。從碼頭上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也可以看出國標(biāo)和美標(biāo)的結(jié)果比較接近，歐標(biāo)也差別不大。相對(duì)來說日標(biāo)計(jì)算結(jié)果要偏小，日標(biāo)因?yàn)槲疵鞔_承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分項(xiàng)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果只是列了與其他標(biāo)準(zhǔn)的承載能力極限狀態(tài)對(duì)比。

在實(shí)際國外項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中，用的比較多是歐標(biāo)，歐標(biāo)中結(jié)合具體的項(xiàng)目用到歐標(biāo)體系中的英標(biāo)最為常用。英標(biāo)規(guī)范BS6349 中設(shè)計(jì)對(duì)象與港工相關(guān)的類型是STR/GEO，STR 的情況是結(jié)構(gòu)或其組件的內(nèi)部失穩(wěn)或過大變形，包括如淺基礎(chǔ)、樁基和地下室墻體，結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度對(duì)提供抗力的作用明顯。GEO 的情況是地基失穩(wěn)或過大變形，土或巖石對(duì)提供抗力的作用明顯。美標(biāo)中常用的規(guī)范有ASCE、API 以及美國高速公路規(guī)范，API 常用來驗(yàn)算樁基承載力和歐標(biāo)的tomlinson 方法進(jìn)行校核。日標(biāo)OCDI 在國外項(xiàng)目高樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少，主要是用到一些設(shè)計(jì)輸入的荷載計(jì)算。