張 余，王 翔

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220)

引言

板樁碼頭是碼頭主要結(jié)構(gòu)型式之一，主要由板樁、拉桿、錨碇結(jié)構(gòu)、胸墻（或帽梁和導(dǎo)梁）及碼頭設(shè)備組成，其特點(diǎn)是依靠板樁入土部分的橫向土抗力和錨碇結(jié)構(gòu)來(lái)保持其整體穩(wěn)定性[1]。受強(qiáng)度制約板樁結(jié)構(gòu)有其適用范圍，適用于水深不大的中小型碼頭，不適用于特別堅(jiān)硬或軟弱的地基。但隨著港口深水化、大型化發(fā)展，具有較高強(qiáng)度，較大抗彎能力的新型板樁結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。鋼管排樁結(jié)構(gòu)作為一種新型板樁結(jié)構(gòu)，具有較好適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件，施工便捷，水平抗彎能力強(qiáng)，承載力高等優(yōu)點(diǎn)。

本文通過(guò)某工程實(shí)例，基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)[2～5]分析介紹鋼管排樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析過(guò)程及關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)巖土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建立模型進(jìn)行分析并結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得出一些經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論。

1 工程概況

本工程碼頭為一期件雜貨泊位改造而來(lái)，由于歷史原因，舊碼頭原有岸線與東側(cè)二期泊位存在約2°夾角。本工程需拆除原有碼頭結(jié)構(gòu)，并將新建泊位碼頭前沿線將與二期集裝箱泊位碼頭前沿線置于同一直線。使其成為連續(xù)的集裝箱泊位，改造后的泊位總長(zhǎng)度為670 m。

新建碼頭岸線長(zhǎng)為220 m，其中185 m 為拆除原一期件雜貨泊位基礎(chǔ)上新建而成，35 m 為在排水渠上新建連接段并與已建二期集裝箱泊位岸線平順相接，并將二期集裝箱泊位的軌道梁順延至新建碼頭。碼頭面頂高程為3.30～3.65 m 與二期集裝箱泊位碼頭面高程一致。平面布置如圖1 所示。

圖1 平面布置

2 自然條件

1）設(shè)計(jì)水位

極端高水位2.286 m

設(shè)計(jì)高水位1.461 m

設(shè)計(jì)低水位-0.062 m

極端低水位-0.562 m

2）設(shè)計(jì)波浪

100 年重現(xiàn)期，極端高水位：設(shè)計(jì)波浪3.11 m,波周期6.5 s；設(shè)計(jì)高水位：設(shè)計(jì)波浪3.02 m，波周期6.5 s；設(shè)計(jì)低水位：設(shè)計(jì)波浪2.81 m，波周期6.3 s；極端低水位：設(shè)計(jì)波浪2.8 m，波周期6.3 s。

3）地震：抗震性能按“B”級(jí)考慮，L1 地震條件下正常使用，集裝箱岸橋不能脫軌或損壞；L2 地震條件下接近倒塌。采用日本專家福島和田中提出的確定性地震分析方法（Deterministic Approach）推算出本場(chǎng)區(qū)L1 地震條件下峰值加速度為0.1g，L2地震條件下峰值加速度為0.276g。

4）地質(zhì)條件：土層分布均勻，主要是粉細(xì)砂和中粗砂。由于工程地質(zhì)勘察資料為業(yè)主方提供，沒(méi)有明確的砂土參數(shù)，最終設(shè)計(jì)采用的砂土參數(shù)是通過(guò)與設(shè)計(jì)咨詢工程師商討后書面確認(rèn)的成果：粉細(xì)砂?=35o，中粗砂?=37o。采用NCEER 法進(jìn)行液化判別，存在局部液化點(diǎn)。

3 水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

碼頭為75 000 DWT 集裝箱專業(yè)化碼頭，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命50 年。碼頭設(shè)計(jì)荷載：集裝箱卸船機(jī)軌距30 m，工作輪壓500 kN/輪，地震輪壓650 kN/輪，10 %水平力；堆貨荷載30 kPa。

考慮到新碼頭為拆改后新建且建成后與二期形成連續(xù)集裝箱泊位，通過(guò)多方案比選最終確定鋼管排樁+錨定樁方案。

鋼管排樁采用直徑1 500 mm，壁厚22 mm 的鋼管樁（泥面以下采用18 mm），鋼管樁間距 1.68 m，頂高程1.5 m，底高程-31.0 m；鋼管樁兩側(cè)焊接CT 型鎖口，鎖口底高程為-17.0 m（泥面以下2 m）；鋼管排樁頂部通過(guò)胸墻連接為整體，胸墻設(shè)計(jì)參照二期的形式，為反L 型胸墻，胸墻底高程為0.5 m，頂高程為3.38 m；錨定樁布置在前板樁墻中心線后方35 m 處，采用直徑1 m 的鋼管樁，壁厚18 mm，間距為兩倍的拉桿間距3.36 m，底高程-10.0 m，頂高程0 m；錨定樁通過(guò)鋼筋混凝土導(dǎo)梁連接為整體，導(dǎo)梁底高程0 m，頂高程2.5 m。前墻與錨定墻通過(guò)直徑70 mm的550級(jí)鋼拉桿連接，鋼拉桿長(zhǎng)約35 m。

碼頭前墻為集裝箱卸船機(jī)前軌道基礎(chǔ)，后軌道基礎(chǔ)為直徑1 000 mm，壁厚18 mm 的鋼管樁，樁間距5.04 m。

碼頭結(jié)構(gòu)典型斷面如圖2 所示。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)典型斷面

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路徑及關(guān)鍵點(diǎn)確定

在海外工程中板樁碼頭是常用的碼頭形式，通常采用歐標(biāo)、美標(biāo)等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思想是極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，分為正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)。對(duì)于正常使用極限狀態(tài)，驗(yàn)算時(shí)各分項(xiàng)系數(shù)取1.0，對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，歐洲標(biāo)準(zhǔn)給出3種設(shè)計(jì)路徑（Design Approach，以下簡(jiǎn)稱DA）。其中DA1 是作用和材料性能的分項(xiàng)系數(shù)法，它有兩套組合。組合DA1.C1 反映了作用（包括土壓力）的不確定性，而認(rèn)為土體的工程設(shè)計(jì)參數(shù)是可靠的。組合DA1.C2 主要反映了土體參數(shù)的不確定性，對(duì)于永久土壓力則不再進(jìn)行放大[6]。通常采用DA1.C1 和DA1.C2 方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

對(duì)于鋼管板排樁的組合結(jié)構(gòu)鋼管樁屬于薄壁結(jié)構(gòu)，同時(shí)受彎矩、剪力、軸力作用需根據(jù)BS EN 1993-1-1:2005 進(jìn)行屈曲分析，根據(jù)EN 1993-5 2007附錄D2.2（12）進(jìn)行復(fù)核，第12 條是一種保守，但相對(duì)“簡(jiǎn)單”的計(jì)算方法，公式如下：

采用擬靜力法進(jìn)行地震工況結(jié)構(gòu)分析，地震工況需進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

鋼管排樁腐蝕壁厚的確定：需根據(jù)工程地區(qū)海水特性確定腐蝕速率，本工程實(shí)測(cè)二期已建碼頭的腐蝕速率，確定了本項(xiàng)目預(yù)留腐蝕壁厚。

5 結(jié)構(gòu)分析

鋼管排樁計(jì)算采用的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)中推薦的彈塑性共同變形法。彈塑性共同變形法[7]的基本假設(shè)是結(jié)構(gòu)周圍的巖土材料是理想的彈塑性Winkler（文克爾）材料。材料性質(zhì)由水平反力系數(shù)kh和極限彈性變形決定，其中水平反力系數(shù)描述了材料在彈性區(qū)域的變形行為。當(dāng)超過(guò)極限彈性變形時(shí)，材料表現(xiàn)為理想塑性。

彈塑性共同變形法計(jì)算假定如圖3 所示。

圖3 彈塑性共同變形法計(jì)算假定

利用GEO5 軟件建立的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖4、5所示。

圖4 計(jì)算模型三維示意

圖5 結(jié)構(gòu)斷面圖計(jì)算模型

按設(shè)計(jì)路徑DA1 兩種組合的荷載分項(xiàng)系數(shù)、可變荷載組合系數(shù)和土體指標(biāo)分項(xiàng)系數(shù)如表1、表2、表3 所示。

表1 BS 6349-1-2:2016 中STR&GEO 荷載分項(xiàng)系數(shù)

表2 BS 6349-1-2:2016 中荷載可變作用組合系數(shù)

表3 EN 1997-1:2004 ANNEX3 中土體指標(biāo)分項(xiàng)系數(shù)

各控制工況計(jì)算結(jié)果見圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 ULSmax 工況強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖7 L1 工況位移及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖8 L2 工況位移及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

承載能力極限狀態(tài)（ULS）控制工況強(qiáng)度3 299.68 kN·m 滿足相應(yīng)規(guī)范[4]要求。正常使用極限狀態(tài)（SLS）位移根據(jù)BS 6349-2:2010 表1 中規(guī)定，結(jié)構(gòu)頂位移應(yīng)小于L/200，L為嵌固定點(diǎn)至結(jié)構(gòu)頂高度，且不超過(guò)100 mm，滿足要求。

L1 工況位移控制，位移需滿足集裝箱卸船機(jī)正常運(yùn)營(yíng)。鋼管排樁的位移由鋼管排樁在地震土壓力、波浪力、集裝箱卸船機(jī)輪壓等外力作用下產(chǎn)生的位移、拉桿在外力作用下的伸長(zhǎng)量、錨定結(jié)構(gòu)位移組成。鋼管排樁的位移分為永久作用產(chǎn)生的位移及可變作用產(chǎn)生的位移兩部分，由土壓力引起的永久位移將會(huì)在墻后回填完成后完全形成，澆筑胸墻時(shí)這部分位移可以抵消掉。從計(jì)算結(jié)果可以看出板樁墻頂在L1 地震工況下的絕對(duì)位移為41.4 mm，該位移包括了拉桿在外力作用下的伸展。根據(jù)錨定樁的有限元分析結(jié)果可以得到錨定墻在L1 地震工況拉桿作用力下的位移為7 mm。通過(guò)計(jì)算，由土壓力引起的永久位移為12.1 mm，這一部分位移在胸墻施工過(guò)程中已抵消掉。前軌道的位移調(diào)節(jié)量設(shè)計(jì)只需要考慮抵消L1 地震工況下的41.4+7-12.1=36.2 mm 的位移。經(jīng)過(guò)與軌道供應(yīng)商溝通，對(duì)軌道的前軌進(jìn)行雙層墊板的特殊設(shè)計(jì)，使其能夠調(diào)節(jié)40 mm的位移，滿足了L1 地震下正常使用的要求。

L2 工況強(qiáng)度控制，L2 工況板樁結(jié)構(gòu)同時(shí)承較大彎矩、剪力及集裝箱卸船機(jī)輪壓產(chǎn)生的軸向力作用，根據(jù)EN 1993-1-1:2005 和EN 1993-5:2007 進(jìn)行地震工況鋼管樁薄壁結(jié)構(gòu)屈曲分析，滿足規(guī)范要求，但是為了提高鋼管排樁抗屈曲能力，鋼管樁內(nèi)回填密實(shí)砂。

6 結(jié)語(yǔ)

1）鋼管樁薄壁結(jié)構(gòu)屈曲分析：根據(jù) EN 1993-1-1:2005 第6.3.1.2(4)要求，當(dāng)垂直作用力與鋼管樁的垂直承載力的比值小于0.04 時(shí)，可以不進(jìn)行整體屈曲的判別。在第四類結(jié)構(gòu)屈曲論證方法不完備的情況下EN 1993-5:2007 附錄D2.2（12）給出了一個(gè)推薦方法，該方法偏于保守且不是強(qiáng)制條文，設(shè)計(jì)人員可以按照EN 1993-5:2007 附錄D2.2 規(guī)定中的（3）即EN 1993-1-6 第8 章中薄殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)樁基部分詳細(xì)設(shè)計(jì)見EN 1993-1-1:2005 第6 章。另外，可以考慮在鋼管樁內(nèi)加灌密實(shí)砂來(lái)提高鋼管樁安全性。

2）地震應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)的地震評(píng)估[8]，采用動(dòng)力時(shí)程分析。該項(xiàng)目所在地區(qū)為地震高發(fā)區(qū)且震級(jí)較大，由于沒(méi)有進(jìn)行地震專項(xiàng)評(píng)估，所以地震設(shè)計(jì)參數(shù)的選取綜合PIANC、美標(biāo)、歐標(biāo)、本土規(guī)范及中國(guó)運(yùn)工程抗震規(guī)范考慮，從而降低結(jié)構(gòu)造價(jià)。客觀的說(shuō)，這樣的處理方法是不科學(xué)的，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)保持規(guī)范的統(tǒng)一性。

3）工程區(qū)地質(zhì)分析：本工程由業(yè)主方提供勘察資料，設(shè)計(jì)方應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)分析報(bào)告的審查，委托項(xiàng)目所在國(guó)的巖土工程師分析地勘資料，與設(shè)計(jì)咨詢工程師商討，形成書面結(jié)論，明確責(zé)任。

4）鋼管排樁腐蝕壁厚的確定：正常工況采用95 %保證率的腐蝕速率進(jìn)行計(jì)算，地震工況采用平均腐蝕速率進(jìn)行計(jì)算，這是即符合工程實(shí)際，又避免造成不必要浪費(fèi)的合理考慮。

5）板樁結(jié)構(gòu)專業(yè)化軟件開發(fā)：目前除了國(guó)際通用的有限元軟件，能夠用于海外項(xiàng)目板樁結(jié)構(gòu)分析的軟件對(duì)于求解板樁問(wèn)題均存在一定的不適應(yīng)性。本工程所采用國(guó)際行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的GEO5 計(jì)算軟件，但軟件內(nèi)嵌地震動(dòng)水壓力的計(jì)算方法與港口工程專業(yè)的計(jì)算方法不一致，需要工程師根據(jù)港口工程專業(yè)規(guī)范進(jìn)行修正。