范 曄
(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,上海 200032)
近年來,國內(nèi)設(shè)計單位承接了許多海外工程項目,遇到了更多更復(fù)雜的設(shè)計自然條件。菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程位于菲律賓呂宋島Luna地區(qū),自然條件極其惡劣,既有強震又有大浪,還有海嘯。針對強震和大浪,筆者就如何選擇合適的碼頭結(jié)構(gòu)方案,使其既能滿足碼頭使用要求又經(jīng)濟(jì)合理進(jìn)行探討。
菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程位于菲律賓呂宋島Luna地區(qū),面向中國南海,屬于全無遮擋的開敞式海域。擬建1座8萬DWT的卸煤碼頭泊位及配套引橋。泊位全長300 m,其中工作平臺長255 m,寬18 m,設(shè)計前沿水深-17 m,兩側(cè)設(shè)系纜墩各1座。該地區(qū)潮差較小,設(shè)計高水位為0.674 m,設(shè)計低水位為-0.476 m,平常期波浪較小,但受臺風(fēng)影響較大,是歷年臺風(fēng)必經(jīng)之地,僅2018年就有超強臺風(fēng)“玉兔”“山竹”直面打擊,臺風(fēng)期波浪達(dá)H1%=12.45 m。另外,根據(jù)菲律賓規(guī)范NationalStructuralCodeofthePhilippines[1],當(dāng)?shù)氐幕鶐r峰值加速度(PGA)為0.4g,為強震地區(qū)?,F(xiàn)有陸上鉆孔資料顯示,工程區(qū)主要是中密-密砂土,其標(biāo)貫擊數(shù)一般為20~50擊,石灰?guī)r深度為13.3~16.8 m和24.5~30.0 m。高樁結(jié)構(gòu)是比較合適的碼頭結(jié)構(gòu)形式。
1)恒載。
3)卸船機(jī)荷載:軌距14 m,基距15 m,海測每腿12輪,輪距1 m;岸側(cè)每腿8輪,輪距1.1 m;工作狀態(tài)最大輪壓500 kN輪,極端大風(fēng)期最大輪壓650 kN輪。
4)船舶荷載:碼頭系纜設(shè)施采用1 500 kN系船柱;靠船設(shè)施采用1600H錐型橡膠護(hù)舷(一鼓一板),單鼓吸能量2 510 kJ,反力2 730 kN。
5)波浪荷載:按BS 6439-1-2:2016[2]中相關(guān)規(guī)定計算波浪荷載,包括樁上波浪力,上部結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊力和浮托力和下砸力。
6)地震荷載:根據(jù)規(guī)范NationalStructuralCodeofthePhilippines,地震反應(yīng)譜如圖1所示,同時考慮結(jié)構(gòu)延性變形能力,采用折減系數(shù)R=3.5。
圖1 地震設(shè)計反應(yīng)譜
工程區(qū)PGA為0.4g,為強震地區(qū)。按照國際主流的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范,如歐洲標(biāo)準(zhǔn)[3-4],美國ASCESEI[5]、日本港口設(shè)計規(guī)范[6]、國際航運協(xié)會抗震設(shè)計指南[7]等基于性能的抗震設(shè)計(performance based seismic design)理念,強震區(qū)的高樁碼頭設(shè)計要充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)延性變形能力,主要設(shè)計要點包括:1)傳力路徑應(yīng)盡量簡潔,如采用全直樁的高樁碼頭結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)地震水平力通過彎矩傳遞至樁基礎(chǔ),且全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)是柔性結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)基本周期較長,地震影響系數(shù)較低;2)碼頭結(jié)構(gòu)的水平、豎向構(gòu)件包括樁基礎(chǔ)、橫梁、縱梁等,其布置應(yīng)盡量均勻、對稱,使結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心的偏心導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有限[8]。
工程區(qū)臺風(fēng)期波浪H1%=12.45 m。波浪對碼頭的主要荷載作用表現(xiàn)在水平向的沖擊力、向上的浮托力及向下的下砸力。減少波浪對碼頭結(jié)構(gòu)影響的最好方法是建立防波堤,但造價較高。另外,可以通過在合理范圍內(nèi)抬高碼頭面高程,減少波浪對碼頭上部結(jié)構(gòu)的作用力,以及適當(dāng)增加斜樁數(shù)量來控制碼頭位移。
為減少大浪對碼頭上部結(jié)構(gòu)的作用力,以縱梁不受波浪力為標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮碼頭裝卸工藝設(shè)備操作要求,按JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》[9]5.4.8.3中相關(guān)規(guī)定,經(jīng)計算,碼頭面高程暫定為12.5 m。根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀粭l件、總平面布置和造價,高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案按整體式(碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)合二為一)和分離式(碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)各自獨立)2種不同的結(jié)合方式進(jìn)行設(shè)計。
高樁碼頭由上部結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)組成,上部結(jié)構(gòu)構(gòu)成碼頭面并與樁基連成整體,直接承受作用在碼頭面的垂向及水平荷載,并將其傳遞給樁基。樁基用來支承上部結(jié)構(gòu),并將上部結(jié)構(gòu)及碼頭面的荷載傳遞到地基深處。常規(guī)的連片式高樁碼頭靠系船設(shè)施直接布置在上部結(jié)構(gòu)橫梁上,因此,主體結(jié)構(gòu)既是工作平臺也是靠系纜平臺,排架間距一般為6~12 m。本工程由于波浪的影響,碼頭面頂高程較大,靠系纜均不便,因此在碼頭前沿間隔24~27 m設(shè)置下層靠系纜平臺,平臺下增設(shè)1根直樁,靠系纜設(shè)施直接設(shè)置在下沉式的靠系纜平臺上(圖2)。
圖2 整體式碼頭斷面(高程:m;尺寸:mm。下同)
樁基布置形式是影響碼頭結(jié)構(gòu)方案合理性和經(jīng)濟(jì)性的決定因素,包括樁基的間距、樁徑大小、樁基傾斜度等。針對本項目強震和大浪這2個主要設(shè)計難點,分別設(shè)計4組不同的樁基布置形式(表1、圖3)。通過模擬計算,探求較優(yōu)的高樁碼頭樁基布置形式。
表1 樁基布置形式主要參數(shù)
圖3 整體式典型布樁形式
根據(jù)以上不同的樁基布置形式,采用國際通用有限元軟件Robot進(jìn)行空間模擬計算,結(jié)果見表2。
比較分析以上結(jié)果,可以看出:
1)布置1和布置3:為保證相同用鋼量條件下的不同排架間距比較。計算結(jié)果顯示,大浪為最不利工況。在該工況下,2種樁基布置形式下鋼管樁均已達(dá)到承載力極限值,但布置1的應(yīng)力偏大,存在壓屈條件下不滿足的情況,位移也較大。
2)布置2、布置3和布置4:為相同排架間距下對樁基斜度的比較。布置2全直樁碼頭在地震工況下樁力較小,但由于本工程中碼頭橫向?qū)挾容^小,樁基自由長度較大,全直樁碼頭橫向剛度太小,導(dǎo)致在大浪作用下,鋼管樁已處于屈服狀態(tài)。布置3和布置4比較,顯示在極端大波水平力控制工況下,可在允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加樁基斜度,以減少樁力及位移。
3)布置1~4:根據(jù)4個不同樁基布置形式的計算結(jié)果可知,無論是大浪還是強震控制工況,布置4在樁基內(nèi)力和位移方面都是最優(yōu)的。即排架間距9.0 m,標(biāo)準(zhǔn)斷面下采用4根斜度4:1的φ1 500 mm鋼管樁,隔27 m橫梁局部落底前凸作為靠系纜平臺,平臺下增設(shè)1根φ1 500 mm鋼管樁直樁。
表2 整體式碼頭結(jié)構(gòu)方案樁基內(nèi)力及位移結(jié)果
基于受力清晰的考量,將碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)各自獨立。工作平臺主要承受上部結(jié)構(gòu)垂直荷載,靠系纜墩作為獨立的靠系纜結(jié)構(gòu)布置在碼頭工作平臺兩側(cè)及底下。工作平臺采用高樁梁板式結(jié)構(gòu),排架間距12 m,每榀排架布置4根φ1 400 mm鋼管樁,斜度6:1。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制預(yù)應(yīng)力縱梁及疊合面板的結(jié)構(gòu)。靠系纜墩共計10座,采用高樁墩式結(jié)構(gòu),每個墩臺布置8根φ1 400 mm鋼管樁,斜度4:1(圖4)。
經(jīng)計算,樁基內(nèi)力及位移均滿足要求。計算結(jié)果見表3。
圖4 分離式碼頭結(jié)構(gòu)方案
表3 分離式碼頭結(jié)構(gòu)方案樁基內(nèi)力及位移結(jié)果(工作平臺)
整體式和分離式2個方案均能滿足使用要求。從經(jīng)濟(jì)上看,分離式較貴;從施工看,由于分離式靠系纜墩落在工作平臺下,樁基相互影響較大,打樁時須頻繁調(diào)整打樁船方位、做好施工組織計劃,且由于工作平臺跨度較大,采用預(yù)應(yīng)力縱梁,須設(shè)置預(yù)制場地;從使用性能看,分離式方案靠系纜平臺和工作平臺各自分離,受力明確,互不干擾,更具優(yōu)勢。
1)通過對菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程的模擬計算得知,在強震工況PGA為0.4g和大浪工況波高H1%為12.45 m中,大浪是本工程的控制荷載。
2)在強震區(qū)基于性能的高樁碼頭抗震設(shè)計中,為發(fā)揮結(jié)構(gòu)延性變形能力,推薦較為柔性的全直樁碼頭,但并不適合本工程。在本工程中波浪力為控制荷載,而地震力不控制,無論是我國還是國際通用的規(guī)范,波浪力均為較常規(guī)的荷載,不像地震荷載可按結(jié)構(gòu)延性變形能力采用折減系數(shù)對樁基內(nèi)力進(jìn)行折減設(shè)計。在同等條件直樁和斜樁對比試算中,較柔的全直樁碼頭結(jié)構(gòu)在極端大浪作用下,早已進(jìn)入屈服狀態(tài),位移無法控制,且在允許方位內(nèi)樁基斜度越大,樁基的內(nèi)力及結(jié)構(gòu)位移更小。
3)通過不同排架間距的試算,按充分利用樁基承載力大排架用大樁、小排架用小樁的原則,在同等樁基用鋼量條件下,小排架樁基的應(yīng)力及位移較大。而且由于本工程樁基自由長度較大,小樁存在壓屈不穩(wěn)定的狀況。
4)碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)合二為一的整體式碼頭結(jié)構(gòu)方案及碼頭工作平臺和靠系纜結(jié)構(gòu)各自獨立的分離式碼頭結(jié)構(gòu)方案均能滿足使用要求。
綜合造價、施工及使用性能,在菲律賓Luna 2×300 MW 電廠配套碼頭工程強震大浪的設(shè)計條件下,推薦采用大排架+大樁(大斜度)的整體式碼頭結(jié)構(gòu)方案,即排架間距9.0 m,標(biāo)準(zhǔn)斷面下采用4根斜度4:1的φ1 500 mm鋼管樁,隔27 m橫梁局部落低前凸作為靠系纜平臺,平臺下增設(shè)1根φ1 500 mm鋼管樁直樁的整體式碼頭結(jié)構(gòu)方案。