老舊高樁碼頭升級改造技術研究

孫熙平，闞 津，張 勇，尹紀龍

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津 300456；2.中國交通通信信息中心，北京 100011；3.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001）

老舊高樁碼頭升級改造技術研究

孫熙平1，闞 津2，張 勇1，尹紀龍3

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津 300456；2.中國交通通信信息中心，北京 100011；3.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001）

我國港口在經過大規模建設期后，存在大量的老舊高樁碼頭。文章結合實際工程，研究老舊高樁碼頭升級改造技術，并對依托工程進行升級改造方案設計。通過對改造方案進行數值分析可知，改造后碼頭能夠滿足安全性要求，且改造方案可以使新老結構協調工作，保證碼頭結構的受力合理和變形協調。

老舊高樁碼頭；升級改造；承載力；數值分析；灌注樁

Biography：SUN Xi?ping（1984-）,male,associate professor.

截至2012年底，經過60多年的港口建設，我國港口營運泊位已達31 862個，其中萬噸級及以上泊位達到1 886個。在這些泊位中存在大量使用了幾十年的老碼頭，如何保持這些老碼頭的安全性、繼續充分發揮甚至提高其效能，是需要研究解決的問題。而對老碼頭進行升級改造可以以最小化投入和最快捷方式實現最大化效益，提升靠泊等級，是促進港口發展的必然選擇。與新建泊位相比，老碼頭升級改造能夠突破岸線資源不足、碼頭靠泊能力不足、生產安全隱患加大等問題。

自20世紀70年代以來，國內外陸續有碼頭升級改造的案例出現，例如1981年英國倫敦的道克蘭碼頭的升級改造、2002年馬來西亞的巴生港一般雜貨碼頭的升級改造、2009年秘魯圣尼古拉斯碼頭裝船機的升級改造［1］、2010年的尼日利亞的Bullnose碼頭的升級改造［2］、2000年京唐港二港池的升級改造、2006年的廣州黃埔港碼頭的升級改造、2010年的天津港北疆16-18段專業化干散貨碼頭的升級改造、2011年的天津港石化碼頭的升級改造及2012年的珠海成品油碼頭升級改造工程等［3-9］。

由于老碼頭安全性影響因素多、模糊性大，已進行的高樁碼頭升級改造多采用“新建結構承擔新荷載”方式，具體方案大多為新增前方承臺，老結構則多為限制使用。這一方式優點是分工明確，技術上可行性大，但缺點也很多，如新建承臺侵占寶貴的港池水域面積且升級造價很高、新老結構聯合工作問題較多、老結構可靠性較低且使用不方便等。因此，若能確定老結構的承載力，在已有老結構基礎上進行升級改造，并能使新老結構協調工作，則是較為理想的碼頭改造升級方案。

本文結合實際工程，研究高樁碼頭的升級改造技術，在碼頭原有結構基礎上提出升級改造方案。方案注重碼頭新老結構協調工作，以及改造后碼頭結構的受力合力和變形協調等問題。

1 工程概況

天津港某碼頭前方承臺采用連續梁板式高樁承臺結構，分為10個結構段，標準段長59.5m，每個標準段包括9個基樁排架，排架間距為7m，在沉降（伸縮）縫處樁基排架間距為3.5m。后方承臺采用簡支梁板結構，樁基排架數及間距同前方承臺。前承臺原設計豎向荷載為30kPa，后承臺原設計豎向荷載為50kPa。現擬在該碼頭前承臺的向海側設計建設新的前承臺，新前承臺設計豎向荷載為50kPa。為方便碼頭使用，擬對碼頭原前承臺進行升級改造，使其與原后承臺、擬新建的前承臺的豎向設計荷載一致，即設計豎向荷載均為50kPa。

碼頭斷面圖如圖1所示。

2 碼頭前承臺結構承載力復核

圖1 依托工程結構斷面Fig.1 Structural section of supported project

2.1 前承臺各構件承載力規范法計算

依據碼頭原設計結構圖、配筋圖及設計參數等，根據《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS 151-2011）等相關規范計算反推出碼頭前承臺橫梁、縱梁、面板等各個構件極限承載力。由于計算方法比較成熟，限于篇幅，在此不再給出詳細計算過程，各構件抗力值匯總見表1。對于碼頭基樁的豎向極限承載力，工程進行了碼頭整體豎向承載力的原型試驗［10］，最終確定了基樁的實際極限承載力為1 900kN。

2.2 新設計荷載作用下各構件作用力值計算

碼頭原前承臺堆貨荷載擬提高至50kPa，先分析碼頭前承臺提高荷載標準后的安全性。根據《高樁碼頭設計與施工規范》（JTS 167-1-2010），前承臺豎向設計荷載需乘以1.5的分項系數即為75kPa。現取該泊位一典型的結構段建立有限元模型，計算在新設計荷載作用下前承臺各構件的作用力值。由于本次計算主要計算上部構件的受力，土對樁的約束作用可簡化成嵌固點理論。本次計算結構段長59 m，共八跨，每跨7m，寬13.9m，有限元模型見圖2。

提取中間一排基樁的豎向作用力值，基樁從碼頭前沿向陸域編號依次為1～5#樁，計算結果見表2。

提取橫梁、縱梁的彎矩，橫梁的最大正彎矩為617.2kN·m，最大負彎矩為633.3kN·m；縱梁最大正彎矩為444.4kN·m，最大負彎矩為487.2kN·m；面板最大正彎矩為156.9kN·m，最大負彎矩為301.7 kN·m。橫梁、縱梁和面板的彎矩圖見圖3～圖5。

表1 碼頭前承臺上部各構件極限承載力匯總Tab.1 Ultimate capacity of wharf front platforms

圖2 典型結構段的有限元模型Fig.2 Finite element model of typical structure

表2 中間排架基樁豎向作用力值Tab.2 Vertical force of the middle bent piles

圖3 橫梁彎矩圖Fig.3 Bending moment of crossbeam

圖4 縱梁彎矩圖Fig.4 Bending moment of longitudinal beam

2.3 抗力與作用力值對比分析

將規范法計算的構件抗力值與有限元模型計算的作用力值結果匯總，見表3、表4。

通過表3、表4可知，上部構件（包括橫梁、縱梁、面板）的抗力值均大于作用值，均滿足安全性要求；對于基樁承載力，部分基樁的極限抗力小于設計荷載作用下的作用力值，不滿足安全性要求。因此，前承臺需要進行升級改造才能滿足新的設計荷載要求。

表3 上部構件抗力和作用力計算結果匯總表Tab.3 Calculation results about resistance and acting force of the upper members

表4 基樁抗力和作用力計算結果匯總表Tab.4 Calculation results about resistance and acting force of the foundation piles

圖5 面板彎矩圖Fig.5 Bending moment of panel

3 碼頭前承臺改造方案

3.1 碼頭前承臺改造方案設計

根據對前承臺構件承載力復核的計算結果可知，在新設計碼頭面荷載作用下（豎向荷載50kPa），前承臺上部構件橫梁、縱梁、面板均滿足安全性要求，但基樁不滿足安全性要求。所以本次改造方案以補樁提高結構整體樁基承載力為主，同時考慮保持結構整體性、受力合理及變形協調。改造方案設計在每跨中間增加一根灌注樁，同時增加樁帽和縱梁等結構。增加的灌注樁設計直徑0.8m，底標高-30.0m，根據地勘資料計算可知新增設的灌注樁豎向承載力為2 013kN；新增設的縱梁尺寸與碼頭原橫梁一致，新增設的縱梁與原橫梁連接形成連續梁。改造后碼頭一個典型結構段的立面圖見圖6，俯視圖見圖7，灌注樁的剖面圖見圖8。

圖6 碼頭前承臺改造后典型結構段立面圖Fig.6 Elevation view of typical structure for reformed wharf front platforms

圖7 碼頭前承臺改造后典型結構段俯視圖Fig.7 Top view of typical structure for reformed wharf front platforms

圖8 1-1斷面灌注樁剖面圖Fig.8 Profile map of bored pile for cross?section 1-1

3.2 前承臺改造方案數值計算分析

依據改造方案，建立有限元模型，計算在設計荷載作用下（豎向荷載50kPa，考慮分項系數后為75kPa）碼頭前承臺改造后各構件的受力狀態。

本次計算取碼頭前承臺一個典型的結構段，結構段長59m，寬13.8m，構件尺寸和材料特性依據工程地勘資料確定。為消除土體邊界對計算結果的影響，土體長度方向取120m，寬度方向取80m，土體四周及底部固定約束。樁與土采用接觸模擬，土體本構模型采用DP模型。模型采用的土性參數見表6。

建立的有限元模型見圖9，碼頭結構設計荷載作用下整體變形變位圖見圖10，碼頭橫梁彎矩見圖11，碼頭原縱梁彎矩見圖12，碼頭新增設的縱梁彎矩見圖13，碼頭面板彎矩見圖14。

表5 土體參數Tab.5 Soil parameters

圖9 碼頭前承臺改造后有限元模型Fig.9 Finite element model of reformed wharf front platforms

圖10 碼頭前承臺改造后設計荷載作用下整體位移圖Fig.10 Global displacement of reformed wharf front platforms by design load

圖11 碼頭前承臺改造后設計荷載作用下橫梁彎矩Fig.11 Crossbeam moment of reformed wharf front platforms by design load

圖12 碼頭前承臺改造后設計荷載作用下原縱梁彎矩Fig.12 Original longeron moment of reformed wharf front platforms by design load

圖13 碼頭前承臺改造后設計荷載作用下新增縱梁彎矩Fig.13 Added longeron moment of reformed wharf front platforms by design load

圖14 碼頭前承臺改造后設計荷載作用下面板彎矩Fig.14 Panel moment of reformed wharf front platforms by design load

根據有限元計算結果，提取基樁作用力及各構件彎矩值，并結合前承臺構件承載力復核結果，匯總見表6、表7。

3.3 結論

通過表6、表7可知，碼頭前承臺各構件（包括橫梁、縱梁、面板、新增加縱梁）在設計荷載作用下，作用力值均小于構件抗力值，基樁在設計荷載作用下的作用力值均小于試驗抗力值。同時，通過有限元模型的變形變位計算結果可知，設計荷載作用下碼頭結構整體變形較小，提取基樁沉降，最大沉降為6.5mm，未出現較大沉降。所以綜合分析可知，通過本方案改造后的結構滿足安全性要求。

表6 改造后上部構件抗力和作用力計算結果匯總表Tab.6 Calculation results about resistance and acting force of the upper members after reformed

表7 改造后基樁抗力和作用力計算結果匯總表Tab.7 Calculation results about resistance and acting force of the foundation piles after reformed

4 結語

老碼頭升級改造可以以最小化投入和最快捷方式實現最大化效益，對突破岸線資源不足、提升靠泊等級、促進港口可持續發展具有重要意義。本文結合實際工程，研究老舊高樁碼頭升級改造技術，對依托工程進行了碼頭升級改造方案設計。通過對改造方案進行數值分析可知，改造后碼頭能夠滿足安全性要求，且改造方案可以使新老結構協調工作，保證碼頭結構的受力合理和變形協調。

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Research on upgrade and reform technology of old high?piled wharf

SUN Xi?ping1,KAN Jin2,ZHANG Yong1,YIN Ji?long3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety,Ministry of Transport,Tianjin300456,China；2.China Transport Telecommunications&Information Center，Beijing100011,China;3.Harbin Engineering University,Harbin150001,China）

After the period of large?scale construction,there are lots of old high?piled wharves in China.In this paper,combined with actual engineering,the upgrading and reforming technology and project of the old high?piled wharf were studied and designed.The numerical analysis of the reformed project shows that the reformed wharf can meet the safety requirements.The project harmonizes the new structures with the old ones and ensures the wharf structure with reasonable load and deformation compatibility.

old high?piled wharf;upgrade and reform;bearing capacity;numerical analysis;bored pile

U 656.1+13

A

1005-8443（2014）02-0165-06

2013-07-23；

2013-09-22

孫熙平（1984-），男，山東省人，副研究員，主要從事水工構造物檢測、診斷與加固技術研究。