港口碼頭工程結構設計要點

王宇春

【摘 要】 為保證港口碼頭工程建設的質量和結構的穩定性，合理的工程結構設計是關鍵。結合工程實例，通過對影響港口碼頭工程結構穩定因素的研究，認為港口碼頭工程結構設計應考慮結構可靠性、服務年限、耐久性、加固設計等因素，以確保港口碼頭工程質量，更好地為航運服務。

【關鍵詞】 港口碼頭;工程結構;耐久性;可靠度

0 引 言

港口碼頭工程的結構是否穩定，直接關系到港口碼頭的服務能力和安全。港口碼頭工程的結構設計質量若無法得到保障，則會導致結構失穩，造成港口碼頭的服務能力不足，最終導致港口碼頭出現安全問題。為解決港口碼頭工程結構的安全問題，本文結合工程實例，開展港口碼頭工程結構設計要點研究。

1 工程概況

某港口碼頭工程概況：可利用岸線長度為300～400 m;港口區域年平均氣溫為22.2 ℃，最高氣溫為;年平均降水量為 mm，日最大降水量為337.9 mm，降雨主要集中在6―9月份，日降水量大于25 mm的天數年平均為27天;最大風速為36 m/s。

現擬建設3個泊位，設計通過能力為250萬t，陸域縱深350 m，碼頭面頂高程5.8 m，底高程2.0 m。本工程結構設計選擇梁板式高樁結構，并采用寬樁臺設計，結構荷載包括永久作用和可變作用。

2 港口碼頭工程結構設計要點

按照ISO 2394標準的要求，結構設計應將從結構施工至后續服務中的環境條件因素納入設計考慮之中。結構的任何一個狀況都能體現結構所處的狀態，為降低表征結構失效后的安全問題，結構設計應結合具體情況，考慮相應的變量設計和可靠度驗算等方法。

結合工程實例分析，得出以下結論：

（1）在正常使用情況下，港口碼頭工程結構的持久性與服務年限具有關聯性;

（2）港口碼頭工程結構包括短暫狀態和異常狀態。短暫狀態如港口碼頭工程結構的短期維護中結構暴露或使用。異常狀態是港口碼頭營運過程中常見的問題，發生事故的概率相對較低。結構設計使用年限與設計狀況有關。短暫狀態下可以按照極限承載力設計的方式，異常狀態下應按照正常使用的方式進行設計。

港口碼頭工程結構設計策略應考慮以下4個方面的因素，以確保港口碼頭工程結構的安全性。

2.1 結構功能的可靠性

港口碼頭工程結構功能的可靠性應達到以下標準：（1）能安全承受碼頭施工期間和碼頭使用期間可能出現的各種作用力;（2）正常營運狀態下，通過維護作業可保證結構的可靠性;（3）正常營運狀態下，碼頭結構應具備良好耐久性;（4）事故發生時，碼頭結構應保持穩定，不至于損壞。

結構的可靠性可用可靠度進行描述，上述功能中（2）（3）項為可靠度描述。結合結構設計，通過軟件模擬對結構可靠度進行分析。結構設計時，應確保承載能力，尤其是極限承載能力必須符合標準，以使結構在極限狀態下能夠正常使用而不發生損壞，從而保證結構功能的可靠性。

2.2 合理的服務年限

港口碼頭工程在結構設計時，應重視其服務年限的設計。服務年限的長短與結構可靠性和安全性直接相關。我國在對港口碼頭工程結構的質量控制中，針對行業內沒有明確的設計服務年限規定的情況，明確要求在設計文件中標注服務年限，以保證結構的安全性、適用性和耐久性等在服務年限內符合要求。港口碼頭環境復雜，對結構的耐久性影響較大，在設計中必須考慮結構耐久性。實例中的港口碼頭將服務年限設定為50年，并采取相關防腐措施以增強結構的耐久性，保證其在港口服務年限內的可靠性。

2.3 結構功能的耐久性

航運業的發展對港口碼頭工程結構設計提出了更高的要求。為滿足船舶大型化和專業化的需求，需要不斷對港口碼頭工程結構進行優化和改進。在重力式碼頭設計上，采用開孔消浪沉箱和大直徑薄壁鋼筋混凝土結構等型式，并輔以爆炸夯實基礎的新技術;在防波堤和導堤設計上，將新材料應用于斜坡堤的護面塊體、寬肩臺式拋石堤等處，以保護堤壩的生態環境。[1]

港口碼頭在運營過程中，對碼頭工程結構耐久性產生影響的因素主要是荷載和自然環境等，如果不能有效控制這些因素，則會對港口碼頭工程結構的安全性和穩定性產生影響。荷載對港口碼頭工程結構安全性產生直接影響;自然環境對港口碼頭工程結構的耐久性產生直接影響。自然環境因素對港口碼頭工程結構造成侵蝕損壞的過程極其緩慢而不易察覺，如果在港口碼頭工程結構設計時忽視自然環境因素，則會產生安全隱患。

耐久性設計的目的是增強結構的可靠性，避免在服務年限內在結構功能可靠性方面出現問題。海洋環境中的海水、大氣中所富含的鹽類物質對港口碼頭工程結構具有明顯的腐蝕作用，影響結構的可靠性，最終使結構耐久性降低，產生安全隱患。混凝土結構是港口碼頭工程結構設計中常采用的結構，也是容易發生結構功能耐久性問題的部分。以混凝土結構功能耐久性為例。

在海洋環境中，混凝土結構不同部位受侵蝕情況。

可通過采用高性能混凝土等措施最大限度增強混凝土結構本身質量，以混凝土低滲透性減輕環境介質侵蝕，提高混凝土結構的耐久性。高性能混凝土的應用見表1。

鋼筋結構易受到腐蝕，補充隔離保護措施有：（1）涂施保護層，即預先處理混凝土表面，清除表面雜物，按照規范均勻涂施底漆，然后進行膩子、中涂、面涂等施工;（2）外加電源或犧牲陽極陰極保護法，配合電化學法和物理方法。[2]

影響港口碼頭工程結構耐久性的其他因素還包括施工材料、施工過程、施工質量等，如果未采取全面的質量控制措施，也會產生安全隱患。

為實現港口碼頭的結構設計優化，實現對港口碼頭工程結構耐久度的控制，應綜合考慮上述多種因素。[3]

2.4 工程結構加固設計

在港口碼頭工程結構設計時，應注重結構的加固設計，以避免碼頭在運營過程中出現結構不堅固的問題，綜合提升結構可靠性。實例工程結構選用施工簡單、物理力學性能良好的碳纖維布加固方式。

碳纖維布加固是使用黏合劑將碳纖維布粘貼于塑性較強的鋼筋上，充分發揮碳纖維布的高強性能優勢，達到加固的目的。[4]

3 港口碼頭工程結構可靠度分析

在具體結構設計中，可采用以下幾種可靠度分析方法：

（1）一次二階矩法。這種方法只需考慮泰勒公式展開的功能函數一次項、常數項等因素，且可以保障隨機變量的獨立性。這種計算方法簡單易行，在工程設計中得到廣泛應用。

（2）二次二階矩法。這種方法能夠優化一次二階矩法。二次二階矩法考慮交換項和隨機變量的二次變換項等因素。這種方法能夠完成對可靠度的分析，但實際應用中存在計算繁瑣的缺點，效果不夠理想，需要進一步完善。

（3）響應面法。計算機仿真技術的完善和有限元軟件的開發利用，為結構可靠度分析提供了新方法。當極限狀態方程數目大于1時，如果采用迭代法進行求解，則會增加計算的難度。使用響應面法時，假設一些基本變量與未知變量的關系表達，再進行未知參量的計算，不僅能完成可靠度分析，而且還能確保計算精度。

4 結 語

港口碼頭工程結構設計直接關系到港口碼頭的服務能力和安全性。本文對工程實例進行分析，認為合理的港口碼頭工程結構設計應注重碼頭結構功能的可靠性、服務年限、耐久性、牢固性等因素，以保障港口碼頭建設質量，更好地服務航運業。

參考文獻：

[1] 劉曉鋒，黃平華.港口重力式碼頭的工程建設研究[J].中國水運，2017（8）：51-52.

[2] 牛曉丹，沈奕.港口堆場混凝土鋪面基層和面層的合理配置[J].中國水運（下半月），2017（7）：321-322.

[3] 閻新彬.港口碼頭工程的施工技術淺述[J].中國水運，2018（6）：70-71.

[4] 靳飛騰.港口碼頭工程結構設計的策略研究[J].工程技術， 2016（11）：87.