嚴(yán)凱華

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

隨著國際間交往的加深，港口建設(shè)更是成了我國打通“一帶一路”的橋頭堡[1]。菲律賓電力超過一半來源于煤電，卸煤碼頭作為電廠安全運行的可靠保障，只有選擇了合適的結(jié)構(gòu)形式、才能更好地提升整體應(yīng)用價值，增強國際競爭力。本工程位于菲律賓北部，風(fēng)浪條件惡劣、地震頻發(fā)，對此環(huán)境下碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點進(jìn)行分析，可為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

本工程位于菲律賓巴丹省，在馬尼拉灣的西側(cè)，為2×660 MW電站的配套卸煤碼頭。碼頭規(guī)模為2個7萬t卸煤泊位(泊位總長可滿足1艘16萬t散貨船靠泊或1艘11萬t及1艘5萬t散貨船同時靠泊)，共配置4臺橋式抓斗卸船機，設(shè)計年通過能力為600萬t。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計條件

2.1 設(shè)計內(nèi)容

卸煤碼頭1座，總長510 m，前沿設(shè)計泥面高程為-20 m，由1座工作平臺、2座系纜墩和人行便橋組成，其中工作平臺長340 m、寬26 m、頂高程10.0 m。碼頭通過引橋與后方陸域相連。

2.2 設(shè)計條件

1)設(shè)計水位：高程系統(tǒng)采用海圖基面，極端高水位1.89 m，設(shè)計高水位1.26 m，設(shè)計低水位-0.20 m。

2)潮流：工程區(qū)的海域?qū)偃粘?，具有明顯的往復(fù)流特征。

3)波浪條件：強浪向為SW向，7月份受臺風(fēng)影響，平均波高和周期明顯增高。波浪重現(xiàn)期50 a時，碼頭前沿波高H1%達(dá)9.2 m。

4)地質(zhì)條件：從地質(zhì)鉆探結(jié)果看，地表為厚度不大的密實砂石覆蓋層，其下基本為礫石或圓石。

5)地震：菲律賓地處環(huán)太平洋地震帶，地震活動頻繁，根據(jù)工程專項抗震研究報告，工程區(qū)域地震平均峰值加速度值為0.3g。

6)卸船機荷載：碼頭配置4臺橋式抓斗卸船機，單機工作效率1 750 th，軌距22 m，外伸距40 m。

7)設(shè)計船型及尺度見表1。

表1 碼頭設(shè)計船型尺度

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 結(jié)構(gòu)形式的比選

離岸式散貨碼頭通常位于沒有掩護(hù)的外海區(qū)域，常采用高樁式結(jié)構(gòu)和重力式結(jié)構(gòu)，重力式結(jié)構(gòu)是依靠結(jié)構(gòu)本身及其上面填料的重力來保持自身的滑移穩(wěn)定和傾覆穩(wěn)定，適用于較好的地基[2]，本工程所在地受到波浪和地震荷載較大，需要較大的結(jié)構(gòu)才能滿足要求，對施工設(shè)備要求高。

高樁梁板式結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、消波效果好、荷載傳遞明確，選擇合適的樁基就能保證結(jié)構(gòu)在地震和波浪力作用下的安全，并且整體結(jié)構(gòu)的工程量較小，菲律賓當(dāng)?shù)氐氖┕l件較落后，重型施工設(shè)備都需要從國內(nèi)調(diào)配，相對重力式結(jié)構(gòu)而言，對施工設(shè)備的要求較低。經(jīng)綜合比較，本工程使用高樁式結(jié)構(gòu)，斷面見圖1。

圖1 碼頭平臺結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm)

3.2 樁基設(shè)計要點

3.2.1土層參數(shù)

土層參數(shù)及樁基標(biāo)準(zhǔn)值見表2。

3.2.2樁型選擇

本工程區(qū)域的主要地基土層是火山作用形成的由凝灰?guī)r和安山巖膠結(jié)而成的集塊體，土層中有大的安山巖塊，打入樁一般無法實施，考慮到碼頭結(jié)構(gòu)的承重能力大，對基礎(chǔ)的要求較高，為滿足相應(yīng)的設(shè)計要求和施工造價等因素，故采用沖孔灌注樁。為充分發(fā)揮樁基承載力，且使同一樁臺下的各樁受力盡量均勻，碼頭前后軌道下方各布置一根樁，中間設(shè)置兩根樁。

表2 土層參數(shù)及樁基標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]，灌注樁大直徑樁單樁極限承載力可按下式計算:

(1)

(2)

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Qsk為單樁總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qpk為單樁總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u為樁身周長；qsik為樁側(cè)第i層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為樁周第i層土的厚度;Ap為樁端面積；ψsi為大直徑樁側(cè)阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)，對黏性土、粉土取(0.8d)、對砂土、碎石類土取(0.8d)，其中d為樁身設(shè)計直徑；ψp為大直徑樁端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)，對黏性土、粉土取(0.8D)，對砂土、碎石類土取(0.8D),其中D為樁端擴底設(shè)計直徑，當(dāng)為等直徑樁時，D=d；K為安全系數(shù)，取2；Ra為樁基豎向極限承載力特征值。

荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合，樁基豎向承載力計算應(yīng)滿足：

Nk≤Ra

(3)

Nkmax≤1.2Ra

(4)

地震作用效應(yīng)和荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合，樁基豎向承載力計算應(yīng)滿足：

NEk≤1.25Ra

(5)

NEkmax≤1.5Ra

(6)

式中：Nk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下基樁的平均豎向力；Nkmax為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合偏心豎向力作用下，樁頂最大豎向力；NEk為地震作用效應(yīng)和荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下基樁的平均豎向力；NEkmax為地震作用效應(yīng)和荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下基樁的最大豎向力。

根據(jù)建立模型和計算，本工程中Nk=4 869 kN、Nkmax=8 605 kN、NEk=5 722 kN、NEkmax=9 058 kN。

碼頭樁基采用直徑為1 800 mm的灌注樁。碼頭的樁長根據(jù)附近鉆孔資料計算確定，樁底高程為-47～-40 m，總樁長46～53 m，入土深度20～27 m，按照公式計算單樁極限承載力特征值為8 292～13 650 kN，符合規(guī)范要求。

3.3 碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

根據(jù)水面以上波峰面高度等控制標(biāo)準(zhǔn)，確定碼頭面高程10.0 m，考慮滿載吃水時，16萬t船舶干舷高度為6.9 m，5萬t船舶為4.7 m，若按常規(guī)將系船柱設(shè)置在碼頭面，船舶難以靠泊和系纜，所以設(shè)計時在局部排架設(shè)置靠船平臺，平臺向海側(cè)突出碼頭2 m，頂高程6.0 m，前沿設(shè)有靠船構(gòu)件、橡膠護(hù)舷等靠泊設(shè)施，通過鋼斜梯與碼頭面相連。此方案可以滿足全部船型安全靠泊，具有很好的適應(yīng)性，斷面見圖2。

圖2 碼頭系纜平臺斷面(高程：m；尺寸：mm)

本工程卸船機軌距為22 m，軌道中心距碼頭前、后沿均為2 m，結(jié)合碼頭作業(yè)車輛通道等因素，碼頭總寬度取26 m。軌道梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為正交梁板體系；碼頭中部設(shè)置排水梁，用來收集含煤污水，匯集后進(jìn)入碼頭集污池，由潛污泵加壓提升，送至陸域煤污水處理站進(jìn)行處理，減少污染，保護(hù)環(huán)境，符合當(dāng)?shù)卣咭蟆?/p>

3.4 抗震設(shè)計要點

3.4.1基本思想

我國抗震的基本原則是小震不壞、中震有修、大震不倒，分別對應(yīng)50 a超越概率為63%、10%、2%～3%的地震烈度[4]，碼頭抗震設(shè)計主要包括3個方面：抗震設(shè)計條件、地震慣性力計算和建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析[5]。菲律賓國家結(jié)構(gòu)規(guī)范[6](簡稱NSCP)的基本原則是避免人員傷亡和結(jié)構(gòu)倒塌，即在小中強度地震作用下，結(jié)構(gòu)保持在彈性范圍內(nèi)，不發(fā)生破壞，大震作用下結(jié)構(gòu)不發(fā)生部分或整體倒塌，通過確定結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性鉸的位置，使得破壞出現(xiàn)在易于檢測和修復(fù)的部位[7]。

3.4.2地震區(qū)劃分

菲律賓地震頻繁，國土80%以上位于地震4區(qū)(地震峰值加速度為0.4g)，其余位于地震2區(qū)(地震峰值加速度為0.2g)，見圖3。本項目根據(jù)工程專項抗震研究報告，工程區(qū)域地震平均峰值加速度值為0.3g。

3.4.3地震反應(yīng)譜

菲律賓的地震反應(yīng)譜在確定特征周期時，考慮了震源的類型、場地類別、地震影響系數(shù)和震源距離等，如圖4所示。

圖4 工程所在地的地震反應(yīng)譜

3.4.4地震反應(yīng)分析

全直樁的高樁碼頭結(jié)構(gòu)地震水平力通過彎矩傳遞至樁基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)受力路徑比較簡潔，增大了結(jié)構(gòu)自振周期，使得地震反應(yīng)減小，同時考慮不同結(jié)構(gòu)類型的設(shè)計延性，使用相應(yīng)的影響系數(shù)R進(jìn)行折減，得到設(shè)計使用的荷載效應(yīng)。

4 中菲規(guī)范材料的比較及應(yīng)用

作為境外工程，只有熟悉當(dāng)?shù)氐囊?guī)范，才能夠更好地推進(jìn)項目，在當(dāng)?shù)厥袌鰧崿F(xiàn)長足發(fā)展。菲律賓沒有專門的碼頭設(shè)計類規(guī)范，故參照美國規(guī)范編制了NSCP，該規(guī)范共分為7個章節(jié)：總體要求、最小設(shè)計荷載、土方和地基、結(jié)構(gòu)混凝土、結(jié)構(gòu)用鋼、木結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)。

4.1 鋼筋的比較

4.1.1中國規(guī)范對鋼筋的規(guī)定

我國鋼筋主要有熱軋光圓鋼筋和熱軋帶肋鋼筋，常用光圓鋼筋型號為HPB300，常用帶肋鋼筋型號為HRB335、HRB400、HRB500，數(shù)字代表鋼筋屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值，單位MPa，具有不小于95%的保證率[8]。鋼筋的強度設(shè)計值等于強度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料分項系數(shù)γs，熱軋鋼筋取1.1，例如HRB400鋼筋，它的強度標(biāo)準(zhǔn)值為400 MPa，強度設(shè)計值為 360 MPa。HRB系列鋼筋具有較好的延性、可焊性、機械連接性能和施工適應(yīng)性。

4.1.2菲律賓規(guī)范對鋼筋的規(guī)定

菲律賓規(guī)范規(guī)定碳鋼和合金鋼要分別符合美標(biāo)ASTM-A615 M[9]和ASTM-A706 M[10]的規(guī)定，主要型號為Grade 40、Grade60和Grade75，它們對應(yīng)的屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值為40 000、60 000和75 000 psi(1psi=6.895 kPa)，具有99.9%的保證率[11]，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用荷載抗力系數(shù)法，考慮強度折減系數(shù)和荷載分項系數(shù)這兩部分；當(dāng)受到彎矩、拉壓作用時，強度折減系數(shù)Ф取為0.65～0.90，受拉構(gòu)件取大值，受壓構(gòu)件取小值。

但經(jīng)過實地調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，菲律賓當(dāng)?shù)夭⒉粫笈可a(chǎn)美標(biāo)鋼筋，而是按照菲律賓國家鋼筋技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)PNS49[12]來生產(chǎn)，當(dāng)?shù)劁摻罘譃槠胀ê涂珊附愉摻?，主要型號有Grade 230、Grade275和Grade415，數(shù)字代表的鋼筋屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值(單位為MPa)，可焊鋼筋在后面加上W，當(dāng)?shù)刂饕泄Q直徑為10、12、16、20、25、28、32、36 mm的鋼筋，Grade275和415會在末端分別涂抹黃色和綠色來表示，可焊鋼筋會附加上紅色。

4.2 混凝土的比較

4.2.1中國規(guī)范混凝土強度指標(biāo)取值

采用邊長150 mm的立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值fcu,k作為混凝土強度等級，具有95%的保證率，以符號C表示，單位MPa。軸心抗壓強度的標(biāo)準(zhǔn)值fck，按下式計算：

fck=0.88αc1αc2fcu,k

(7)

式中：0.88為構(gòu)件強度差異修正系數(shù)；αc1為棱柱強度與立方體強度之比，取0.76；αc2為脆性折減系數(shù)，對C40混凝土取1.0。混凝土軸心抗壓強度的設(shè)計值fc等于fck1.4。例如，對于C40混凝土，它的強度標(biāo)準(zhǔn)值為26.8 MPa，強度設(shè)計值為19.1 MPa。

4.2.2菲律賓規(guī)范混凝土強度指標(biāo)取值

菲律賓規(guī)范中對混凝土的規(guī)定參照美國規(guī)范，用直徑150 mm、高300 mm的圓柱體構(gòu)件測得的抗壓強度f′c作為設(shè)計采用的力學(xué)性能指標(biāo)，與中國規(guī)范不同，美標(biāo)中沒有修正系數(shù)，所以不存在設(shè)計值和標(biāo)準(zhǔn)值。

對于不超過C50的混凝土，美標(biāo)規(guī)定的混凝土強度與我國立方體強度的對應(yīng)關(guān)系[13]見表3。

表3 美標(biāo)與國標(biāo)混凝土強度的大致對應(yīng)關(guān)系

4.2.3混凝土耐久性設(shè)計的比較

我國規(guī)范針對結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別、結(jié)構(gòu)部位和設(shè)計使用年限進(jìn)行設(shè)計。對于位于浪濺區(qū)的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，水膠比限值為0.40；普通硅酸鹽水泥中的鋁酸三鈣含量宜在6%～12%；常采用表面涂層、硅烷浸漬等附加防腐措施。

菲律賓規(guī)范對建筑物在環(huán)境中的暴露類別和等級進(jìn)行分類，共分為4類：F類適用于暴露在霜凍和潮濕條件的結(jié)構(gòu)；S類適用于接觸含有硫酸鹽的水和土壤；P類適用于接觸水且要求低滲透性的結(jié)構(gòu)；C類適用于要求額外配筋防腐保護(hù)的結(jié)構(gòu)。每個類別根據(jù)不同的嚴(yán)重程度劃分等級。

本工程參照暴露等級為S1(中等暴露)，選用鋁酸三鈣含量達(dá)到10%的Ⅰ型波特蘭水泥，較高的鋁酸三鈣含量的波特蘭水泥改善了海水中氯化物的混合，有利于結(jié)構(gòu)的耐久性；并在預(yù)制構(gòu)件及除現(xiàn)澆面層頂面以外的現(xiàn)澆混凝土表面采用硅烷浸漬進(jìn)行保護(hù)。

5 結(jié)語

1)高樁梁板式結(jié)構(gòu)對當(dāng)?shù)靥烊坏匦?、水流影響較小，對風(fēng)浪有較好的適應(yīng)性，港區(qū)附近設(shè)施較為落后，但水上交通較為便利，相對其他結(jié)構(gòu)形式，施工也更加方便，二層系纜平臺的設(shè)置保證了船舶的安全靠泊。

2)全直樁的灌注樁結(jié)構(gòu)滿足碼頭承重能力要求，受力合理、明確，適應(yīng)工程所在地的地質(zhì)條件。

3)菲律賓是一個多地震國家，對于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況進(jìn)行合理的設(shè)計，確保工程質(zhì)量。

4)鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)主體材料，直接影響整個工程的采購和施工進(jìn)度，設(shè)計人員要對當(dāng)?shù)夭牧系姆N類和特性充分了解，并在設(shè)計時結(jié)合實際進(jìn)行選型，才能夠為項目總承包的開展打好基礎(chǔ)，也為日后在該地區(qū)項目的開展提供借鑒。