百米长度分段的胸墙结构在板桩码头中的应用

文 涛，李春阳，刘 洋，杨 旭

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510290)

板桩码头是码头三大结构形式之一，其结构主要由板桩墙、拉杆、锚碇结构、导梁及帽梁等组成，当潮差不大时可以将导梁及帽梁合并为胸墙[1]。板桩码头配备轨道装卸机械时，海侧轨道一般安装在桩基支撑的轨道梁上，轨道梁与胸墙分开布置，胸墙尺寸较小。随着板桩码头大型化的发展，由钢管桩、钢板桩组合而成的管板组合板桩得到广泛应用，该结构中钢板桩与钢管桩交错布置，板桩墙的抗弯、抗压能力都得到显著提高[2]，海侧轨道梁可以利用板桩墙作为基础，不必单独设置桩基，因此轨道梁进一步与胸墙合并，合并后的胸墙集成了常规板桩码头的导梁、帽梁及轨道梁3种功能，结构设计要求较高。

对于常规板桩码头，板桩墙断面类型单一，胸墙分缝主要考虑与系船柱间距相适应，变形缝通常设置在板桩接缝处，变形缝间距一般采用15～30 m。管板组合板桩码头中，板桩墙由钢板桩与钢管桩交错布置，变形缝的设置既要考虑钢板桩与钢管桩的间距，又要考虑其与系船柱间距相适应，因此相邻变形缝往往需要更大的间距。更为重要的是，为保证板桩码头结构具有良好的整体性、减少胸墙结构差异沉降或变形、解决结构缝处钢轨的破坏问题，并降低营运期的维护成本，在胸墙设计中希望尽可能采用长分段设计方案，分段长度往往远大于规范的30 m上限长度。

本文分析超长分段胸墙的结构受力特点，并将分析成果运用于广州港南沙四期板桩码头工程，成功采用百米长度分段的胸墙结构，分析成果及应用经验可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

广州港南沙港区四期码头工程主要建设2个10万吨级集装箱泊位和2个5万吨级集装箱泊位，该段码头岸线总长1 460 m，码头结构均按靠泊10万吨级集装箱船设计，设计底高程为-16.0 m。码头结构采用管板组合板桩结构(图1)，前墙采用φ2 032 mm钢管桩与Z型钢板桩组合。组合板桩上部结构为现浇C40钢筋混凝土胸墙，胸墙宽5.0 m、高3.7 m，拉杆间距3.35 m。板桩后根据地质情况进行水泥土搅拌桩二次加固处理，墙后1.0 m以上回填泡沫轻质土。

图1 南沙港区四期码头典型断面(高程：m；尺寸：mm)

码头前沿设置2条轨道，轨距35 m，采用QU120钢轨，前轨直接铺设在胸墙上，后轨铺设于轨道梁上。海侧轨中心距码头前沿线3.5 m，基距15.2 m，支腿4个，8个轮/支腿，平均轮距1.328 m，工作状态下最大轮压920 kN，非工作状态下最大轮压1 470 kN，两机联合作业时的最小间距为1.5 m。码头采用SC1250H标准反力型橡胶护舷，前沿布置1 500 kN系船柱。

南沙港区位于伶仃洋水域，当地多年平均气温22.0 ℃，极端最高气温38.2 ℃，极端最低气温-0.5 ℃。各月的平均相对湿度在71%～85%，多年平均相对湿度为 80%，相对湿度最小为冬季，历年最小为5%。

2 胸墙荷载分析

本项目胸墙高3.7 m、宽5 m，集成了常规板桩码头中导梁、帽梁及轨道梁三者功能，受到多种荷载共同作用：水平方向受到船舶荷载及墙后土压力作用、竖直方向主要受到门机荷载作用、轴线方向主要受到温度及混凝土收缩作用。胸墙以板桩墙作为连续支撑，水平及竖直方向内力均较小，胸墙断面综合考虑轨道位置、管沟尺寸、钢管桩尺寸等因素，导致断面尺寸较大，因此常规荷载对胸墙的内力影响较小。胸墙采用超长分段后，混凝土的热胀冷缩、收缩、徐变等温度效应放大，引起较大的内力及裂缝，本文对此进行重点讨论。

2.1 环境温度应力

混凝土所处环境的温度变化会引起混凝土的热胀冷缩变形，由于混凝土变形受到结构的约束作用，导致产生了环境温度应力。水运工程规范未对环境温度计算作出详细规定，根据杨铭元等[3]对超长无分缝高桩码头结构温度效应的计算分析，混凝土梁及桩基结构中均匀温差对构件内力变化起控制作用，梯度温差作用可忽略不计。本文只考均匀温差作用，依据GB 5009—2012《建筑结构荷载规范》[4]考虑以下工况：

1)均匀温度作用分为结构最大温升工况和结构最大温降工况。

2)结构最大温升工况下，温度作用标准值为：

ΔTk=Ts，max-T0，min

(1)

式中：Ts，max为结构最高平均温度，按气温最高月平均温度取值，根据GB 5009—2012取36 ℃；T0，min为结构最低初始平均温度，按气温最高月平均温度取值，根据GB 5009—2012取6 ℃。温度作用标准值ΔTk为30 ℃。

3)结构最大温降工况下，温度作用标准值为：

ΔTk=Ts，min-T0，max

(2)

式中：Ts，min为结构最低平均温度，按气温最低月平均温度取值，根据GB 5009—2012取6 ℃；T0，max为结构最高初始平均温度，按气温最高月平均温度取值，根据GB 5009—2012取36 ℃。温度作用标准值ΔTk为-30 ℃。

2.2 混凝土收缩应力

收缩是混凝土材料固有的特性，也是引起混凝土开裂的主要原因之一，一般混凝土浇筑后10～30 d内完成的收缩量占总收缩量的15%～25%，90 d一般完成60%～80%，1 a后完成95%左右[5]。混凝土收缩的影响因素有很多，主要为水泥的品种和用量、骨料、水灰比、空气温度、养护条件、钢筋用量等。混凝土收缩将在超静定结构中产生收缩应力，因此在对超静定结构进行设计计算时，通常将混凝土的收缩量等价转换为温度的降低值，称为混凝土收缩当量温差。目前国内外对于混凝土收缩计算没有统一的方法，国内规范主要采用王铁梦[6]提出的收缩模型以及欧洲混凝土规范模型[7]，水运工程规范未明确如何计算混凝土收缩。本文按GB 50496—2018规范[8]计算，该方法基于王铁梦的收缩模型，混凝土收缩的相对变形值按下式计算：

(3)

混凝土收缩相对变形值的当量温度可按下式计算：

Ty(t)=εy(t/α

(4)

式中：Ty(t)表示龄期为t时混凝土的收缩当量温度；α为混凝土的线膨胀系数，取1.0×10-5。根据公式，计算得到混凝土的收缩当量温度为-31 ℃。

2.3 温差计算值

由于混凝土的收缩变形一直存在，温升时的变形与收缩变形有抵消作用，因此只考虑温降时的作用，温差计算值为环境温差与收缩当量温差之和，本工程取61 ℃。

3 胸墙内力分析

3.1 建立有限元模型

根据本工程胸墙的特点，建立有限元模型时采用梁单元模拟胸墙，考虑到钢板桩刚度小，忽略钢板桩作用，胸墙仅考虑钢管桩支撑，桩土之间的相互作用采用线性弹簧模拟，弹簧刚度按m法取值。

常规板桩项目仅计算垂直于码头方向的桩土作用，计算比较成熟，平行于码头方向的桩土作用缺少研究，本工程为管板组合板桩，其特殊的构造导致平行于码头方向的桩土作用复杂：1)桩基受力状态与普通桩基差异很大。本工程钢管桩的中心距只有1.5倍桩径，并且只有一半在土中，相邻钢管桩与板桩将墙后填土分割，钢管桩之间的土体形成三面约束状态，其应力分布与普通板桩的墙后土体相差较大，更有别于普通桩基，土层深度对土体应力的影响减弱。2)墙后软土采用水泥搅拌桩处理，但施工时钢管桩周边的土体难以全面覆盖，钢管桩周边仍存在一定厚度的软土。3)钢板桩与钢管桩之间采用锁口连接，钢管桩间距变小时两者之间的连接作用反而变小，胸墙发生收缩变形后，钢管桩间距变小，钢板桩会向海侧变形，相邻钢管桩之间的挤土作用会随着钢板桩的变形而减弱，甚至抵消。

根据以上分析，平行于码头方向钢管桩与土体之间的相互作用较小，建模时未考虑港池泥面以上的桩土作用。为研究不同分段长度对结构的影响，分别建立长度为30、50、77、100 m的4种胸墙模型。

3.2 结果分析

100 m长分段胸墙的计算结果见图2、3，图2为胸墙轴心拉力，呈抛物线分布，中间大两边小，最大轴心拉力为2 580 kN；图3为钢管桩弯矩，分段中部弯矩小两侧弯矩大，钢管桩的最大弯矩为4 340 kN·m。

图2 胸墙轴心拉力结果

图3 钢管桩弯矩结果

不同分段长度的计算结果见表1，由表1结果可见，百米分段胸墙结构的内力远大于普通的30 m分段结果，拉力相差12倍之多；分段长度由小增大时，胸墙位移呈线性增大趋势，内力(胸墙轴力及桩顶弯矩)均呈非线性增大趋势，分段长度越大内力增加越快。

表1 不同胸墙分段长度的内力及位移结果

需要注意的是，本工程计算时未考虑混凝土徐变影响，胸墙在徐变的长期作用下最大轴心拉力将减小，因此本工程的计算结果偏于保守。

4 项目实施情况

为保证胸墙混凝土耐久性、减少表面裂缝，在胸墙混凝土中添加海港型抗腐蚀增强剂，掺量为36 kg/m3；表层的混凝土中添加聚乙烯醇抗裂纤维，掺量为0.9 kg/m3；抗裂纤维抗拉强度要求大于270 MPa；公称长度6～40 mm。施工时采用分段浇筑，分段长度为20～30 m。超长混凝土结构常采用后浇带技术解决混凝土收缩问题[9]，本工程考虑到海水潮位影响及项目工期紧张等因素未予采用。

目前码头已经建成并运营超过1 a，胸墙表面裂缝较少，未发现通长裂缝，百米分段胸墙在板桩码头上得到成功运用。

5 结语

1)随着板桩码头大型化发展，码头胸墙往往需要采用大于规范上限的分段长度，广州港南沙四期板桩码头工程成功采用了百米长度分段的胸墙结构，其分析成果及应用经验可为类似工程提供借鉴。

2)采用超长结构分段将导致混凝土的热胀冷缩、收缩、徐变等温度效应放大，百米分段胸墙的结构内力远大于普通项目，胸墙分段长度增大后位移呈线性变大趋势、内力呈非线性变大趋势，分段长度越长内力增加越快。

3)考虑到管板组合板桩的特殊构造以及本工程地基处理的实际情况，在平行于码头方向钢管桩与土体之间的相互作用较小，因此计算时忽略了港池泥面以上的桩土作用，该简化具有特殊性，不一定适合其它工程。平行于码头方向的桩土作用影响胸墙的收缩应力，现有研究并未涉及该领域，有待进一步研究分析。