大浪强震区高桩码头结构设计方案

范 晔

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

近年来，国内设计单位承接了许多海外工程项目，遇到了更多更复杂的设计自然条件。菲律宾Luna 2×300 MW 电厂配套码头工程位于菲律宾吕宋岛Luna地区，自然条件极其恶劣，既有强震又有大浪，还有海啸。针对强震和大浪，笔者就如何选择合适的码头结构方案，使其既能满足码头使用要求又经济合理进行探讨。

1 工程概况

菲律宾Luna 2×300 MW 电厂配套码头工程位于菲律宾吕宋岛Luna地区，面向中国南海，属于全无遮挡的开敞式海域。拟建1座8万DWT的卸煤码头泊位及配套引桥。泊位全长300 m，其中工作平台长255 m，宽18 m，设计前沿水深-17 m，两侧设系缆墩各1座。该地区潮差较小，设计高水位为0.674 m，设计低水位为-0.476 m，平常期波浪较小，但受台风影响较大，是历年台风必经之地，仅2018年就有超强台风“玉兔”“山竹”直面打击，台风期波浪达H1%=12.45 m。另外，根据菲律宾规范NationalStructuralCodeofthePhilippines[1]，当地的基岩峰值加速度(PGA)为0.4g，为强震地区。现有陆上钻孔资料显示，工程区主要是中密-密砂土，其标贯击数一般为20～50击，石灰岩深度为13.3～16.8 m和24.5～30.0 m。高桩结构是比较合适的码头结构形式。

2 设计荷载

1)恒载。

3)卸船机荷载：轨距14 m，基距15 m，海测每腿12轮，轮距1 m；岸侧每腿8轮，轮距1.1 m；工作状态最大轮压500 kN轮，极端大风期最大轮压650 kN轮。

4)船舶荷载：码头系缆设施采用1 500 kN系船柱；靠船设施采用1600H锥型橡胶护舷(一鼓一板)，单鼓吸能量2 510 kJ，反力2 730 kN。

5)波浪荷载：按BS 6439-1-2:2016[2]中相关规定计算波浪荷载，包括桩上波浪力，上部结构水平冲击力和浮托力和下砸力。

6)地震荷载：根据规范NationalStructuralCodeofthePhilippines，地震反应谱如图1所示，同时考虑结构延性变形能力，采用折减系数R=3.5。

图1 地震设计反应谱

3 设计难点及对策

3.1 强震

工程区PGA为0.4g，为强震地区。按照国际主流的结构抗震设计规范，如欧洲标准[3-4]，美国ASCESEI[5]、日本港口设计规范[6]、国际航运协会抗震设计指南[7]等基于性能的抗震设计(performance based seismic design)理念，强震区的高桩码头设计要充分发挥结构延性变形能力，主要设计要点包括：1)传力路径应尽量简洁，如采用全直桩的高桩码头结构形式，结构地震水平力通过弯矩传递至桩基础，且全直桩高桩码头结构是柔性结构，其结构基本周期较长，地震影响系数较低；2)码头结构的水平、竖向构件包括桩基础、横梁、纵梁等，其布置应尽量均匀、对称，使结构的刚心和质心的偏心导致的扭转效应有限[8]。

3.2 大浪

工程区台风期波浪H1%=12.45 m。波浪对码头的主要荷载作用表现在水平向的冲击力、向上的浮托力及向下的下砸力。减少波浪对码头结构影响的最好方法是建立防波堤，但造价较高。另外，可以通过在合理范围内抬高码头面高程，减少波浪对码头上部结构的作用力，以及适当增加斜桩数量来控制码头位移。

4 高桩码头结构设计方案

为减少大浪对码头上部结构的作用力，以纵梁不受波浪力为标准，综合考虑码头装卸工艺设备操作要求，按JTS 165—2013《海港总体设计规范》[9]5.4.8.3中相关规定，经计算，码头面高程暂定为12.5 m。根据当地自然条件、总平面布置和造价，高桩码头结构设计方案按整体式(码头工作平台和靠系缆结构合二为一)和分离式(码头工作平台和靠系缆结构各自独立)2种不同的结合方式进行设计。

4.1 整体式

高桩码头由上部结构和桩基础组成，上部结构构成码头面并与桩基连成整体，直接承受作用在码头面的垂向及水平荷载，并将其传递给桩基。桩基用来支承上部结构，并将上部结构及码头面的荷载传递到地基深处。常规的连片式高桩码头靠系船设施直接布置在上部结构横梁上，因此，主体结构既是工作平台也是靠系缆平台，排架间距一般为6～12 m。本工程由于波浪的影响，码头面顶高程较大，靠系缆均不便，因此在码头前沿间隔24～27 m设置下层靠系缆平台，平台下增设1根直桩，靠系缆设施直接设置在下沉式的靠系缆平台上(图2)。

图2 整体式码头断面(高程：m；尺寸：mm。下同)

桩基布置形式是影响码头结构方案合理性和经济性的决定因素，包括桩基的间距、桩径大小、桩基倾斜度等。针对本项目强震和大浪这2个主要设计难点，分别设计4组不同的桩基布置形式(表1、图3)。通过模拟计算，探求较优的高桩码头桩基布置形式。

表1 桩基布置形式主要参数

图3 整体式典型布桩形式

根据以上不同的桩基布置形式，采用国际通用有限元软件Robot进行空间模拟计算，结果见表2。

比较分析以上结果，可以看出：

1)布置1和布置3：为保证相同用钢量条件下的不同排架间距比较。计算结果显示，大浪为最不利工况。在该工况下，2种桩基布置形式下钢管桩均已达到承载力极限值，但布置1的应力偏大，存在压屈条件下不满足的情况，位移也较大。

2)布置2、布置3和布置4：为相同排架间距下对桩基斜度的比较。布置2全直桩码头在地震工况下桩力较小，但由于本工程中码头横向宽度较小，桩基自由长度较大，全直桩码头横向刚度太小，导致在大浪作用下，钢管桩已处于屈服状态。布置3和布置4比较，显示在极端大波水平力控制工况下，可在允许范围内适当增加桩基斜度，以减少桩力及位移。

3)布置1～4：根据4个不同桩基布置形式的计算结果可知，无论是大浪还是强震控制工况，布置4在桩基内力和位移方面都是最优的。即排架间距9.0 m，标准断面下采用4根斜度4:1的φ1 500 mm钢管桩，隔27 m横梁局部落底前凸作为靠系缆平台，平台下增设1根φ1 500 mm钢管桩直桩。

表2 整体式码头结构方案桩基内力及位移结果

4.2 分离式

基于受力清晰的考量，将码头工作平台和靠系缆结构各自独立。工作平台主要承受上部结构垂直荷载，靠系缆墩作为独立的靠系缆结构布置在码头工作平台两侧及底下。工作平台采用高桩梁板式结构，排架间距12 m，每榀排架布置4根φ1 400 mm钢管桩，斜度6:1。上部结构采用现浇横梁、预制预应力纵梁及叠合面板的结构。靠系缆墩共计10座，采用高桩墩式结构，每个墩台布置8根φ1 400 mm钢管桩，斜度4:1(图4)。

经计算，桩基内力及位移均满足要求。计算结果见表3。

图4 分离式码头结构方案

表3 分离式码头结构方案桩基内力及位移结果(工作平台)

4.3 整体式和分离式方案比选

整体式和分离式2个方案均能满足使用要求。从经济上看，分离式较贵；从施工看，由于分离式靠系缆墩落在工作平台下，桩基相互影响较大，打桩时须频繁调整打桩船方位、做好施工组织计划，且由于工作平台跨度较大，采用预应力纵梁，须设置预制场地；从使用性能看，分离式方案靠系缆平台和工作平台各自分离，受力明确，互不干扰，更具优势。

5 结语

1)通过对菲律宾Luna 2×300 MW 电厂配套码头工程的模拟计算得知，在强震工况PGA为0.4g和大浪工况波高H1%为12.45 m中，大浪是本工程的控制荷载。

2)在强震区基于性能的高桩码头抗震设计中，为发挥结构延性变形能力，推荐较为柔性的全直桩码头，但并不适合本工程。在本工程中波浪力为控制荷载，而地震力不控制，无论是我国还是国际通用的规范，波浪力均为较常规的荷载，不像地震荷载可按结构延性变形能力采用折减系数对桩基内力进行折减设计。在同等条件直桩和斜桩对比试算中，较柔的全直桩码头结构在极端大浪作用下，早已进入屈服状态，位移无法控制，且在允许方位内桩基斜度越大，桩基的内力及结构位移更小。

3)通过不同排架间距的试算，按充分利用桩基承载力大排架用大桩、小排架用小桩的原则，在同等桩基用钢量条件下，小排架桩基的应力及位移较大。而且由于本工程桩基自由长度较大，小桩存在压屈不稳定的状况。

4)码头工作平台和靠系缆结构合二为一的整体式码头结构方案及码头工作平台和靠系缆结构各自独立的分离式码头结构方案均能满足使用要求。

综合造价、施工及使用性能，在菲律宾Luna 2×300 MW 电厂配套码头工程强震大浪的设计条件下，推荐采用大排架+大桩(大斜度)的整体式码头结构方案，即排架间距9.0 m，标准断面下采用4根斜度4:1的φ1 500 mm钢管桩，隔27 m横梁局部落低前凸作为靠系缆平台，平台下增设1根φ1 500 mm钢管桩直桩的整体式码头结构方案。