非洲某散貨碼頭升級改造設計方案探討

駱俊彬，陳章楷

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

在船舶大型化趨勢發(fā)展的進程中，深水岸線資源日趨緊張，新建碼頭需要大量的資金投入和較長的建設周期，使得對老碼頭進行結構加固改造，提升老碼頭的服務能力成為解決岸線資源緊張問題的重要途徑[1]。因此，以提高碼頭靠泊能力為目的的碼頭結構加固改造成為當前港口建設的重要組成部分[2]。同時，為適應碼頭靠泊能力提升和裝卸吞吐量升級，增加裝卸能力，也需要對老碼頭進行結構改造升級。老港區(qū)碼頭的升級加固有很高回報率，以我國上海港為例，自 80年代后期以來，上海港對一系列老碼頭進行了改造，至90年代后期，10年間碼頭建設共投入資金98.43億元，其中更新改造占42 %。10多年來的新建、改造，大力推動了港口運營效率，取得了較好的經(jīng)濟效益。2002年上海港總貨物吞吐量達2.6億t，相比1990年增長80 %，2002年集裝箱吞吐量完成861.2萬TEU，為1990吞吐量的 19倍[3]。數(shù)據(jù)說明，舊碼頭的升級擴建帶來的效益相當可觀。

從總體角度來劃分，國內(nèi)外碼頭結構加固改造工程具有以下三大特征[4]：

1）舊碼頭的加固、改造、升級和擴建是碼頭建設的主流方式；

2）碼頭結構加固改造工程都是以使碼頭能夠適應大型船舶，滿足多樣性裝卸需求，全面提高碼頭的結構功能為目標；

3）新時期的碼頭結構類型、貨種、業(yè)主要求的多樣化催生的碼頭結構加固改造工程施工技術多樣性。

不同型式的碼頭結構，其升級改造的思路與施工技術大相徑庭。高樁碼頭結構的加固改造主要包括原結構的拆除、新增樁基的施工、新建上部結構的施工和原結構破損部位的加固修復等[5]。高樁碼頭常見的改造加固方法有：局部改造法、分離式改造法、前方樁臺法、擴大護舷法、串聯(lián)加固法、板樁加固法、錨桿加固法等[6]。本文以非洲某糧食碼頭為例，從控制造價成本、施工便利、結構安全的角度比選該碼頭的升級加固方案。該碼頭原靠泊船型為4萬t級散貨船，因糧食吞吐量的增加，需升級靠泊8萬t級散貨船，并且需要擴建泊位100 m，浚深港池和航道，更換護舷、系船柱等附屬設施。

1 項目概況

某糧食碼頭位于非洲東海岸，河流入海口的凹岸一側(cè)，距離入海口12 km，為感潮河段海港。該碼頭于20世紀90年代建成投產(chǎn)，原泊位長度55 m，港池底高程-11 m，最大的裝卸船型為4萬t級的糧食散貨船。裝卸平臺為高樁梁板式結構，而系纜墩和主、副靠船墩均為高樁墩臺型式。其中系纜墩和主靠船墩均為獨立的墩式結構，而副靠船墩位于裝卸工作平臺的下方，與裝卸工作平臺并未連接。原碼頭的樁位平面布置如圖1所示。

為了滿足靠泊8萬t級糧食散貨船，泊位長度需延長，原碼頭擴建100 m，碼頭前沿設計底高程浚深至-16.0 m，新建靠船墩一個，并更換系船柱和橡膠護舷等附屬設施。

圖1 原碼頭樁位布置

2 項目升級改造的難點

2.1 原碼頭使用年限較長，結構較單薄

原碼頭平臺為高樁梁板結構，樁基為鋼管樁斜樁，樁底高程-20～-30 m，直徑 864 mm，壁厚22.2 mm。與后方引橋搭接處為碼頭擴散段，增設了三根直徑610 mm、壁厚19 mm的鋼管樁直樁。鋼管樁標號均為Q345。排架間距9 m，一個排架兩根斜樁，樁身傾角1:10。碼頭上部結構中的面板、橫縱梁為預制構件，樁帽與節(jié)點為現(xiàn)澆，原碼頭結構的立面如圖2所示。

圖2 原碼頭結構立面示意

原主靠船墩為高樁墩臺結構，樁基為鋼管樁直樁，樁底高程-26～-31 m。有兩種樁型：直徑864 mm、壁厚22.2 mm，12根；直徑610 mm、壁厚19 mm，4根。鋼管樁標號為Q345。原護舷為MV 1 450 H 1 500 L型護舷2組，兩個50 t系船柱前后布置。墩臺長17.75 m，寬7.5 m，厚2 m，混凝土標號C40。

副靠船墩的結構型式同樣為高樁墩臺結構，樁基由8根直徑864 mm、壁厚22.2 mm的鋼管樁以及4根直徑610 mm、壁厚19 mm的鋼管樁構成。型號MV 1 450 H 1 000 L的護舷2組，一個30 t系船柱。墩臺長13.75 m，寬7.5 m，厚2 m。系纜墩亦為高樁墩臺型式，由8根環(huán)形布置，直徑864 mm，壁厚22.2 mm的鋼管樁直樁。墩臺上布置兩個50 t系船柱，墩臺厚度為2 m。

原樁基強度不能滿足靠泊8萬t級散貨船的受力要求，并且港池浚深較多更加削弱了原結構樁基的承載能力，因此，結構的加固升級是十分必要的。

2.2 原碼頭設計資料缺失

原碼頭設計圖紙與地質(zhì)鉆孔資料均為紙質(zhì)資料，并且由于歷史原因，部分資料缺失，給碼頭的加固方案設計造成障礙。為準確計算原因結構承載能力與加固設施承載能力，暫根據(jù)現(xiàn)有掃描圖紙與項目附近區(qū)域的地質(zhì)資料初步估計本項目的地質(zhì)情況。

2.3 原碼頭水域狹窄，打樁施工較為困難

因原碼頭存在預留的靠船墩和系纜墩，和現(xiàn)有的裝卸工作平臺距離很近。同時，原碼頭為引橋式高樁碼頭，相鄰一側(cè)還有突堤碼頭，煤碼頭等。并且該河口水域繁忙，出入和作業(yè)的船舶較多，碼頭周圍水域較為狹窄，設計方案需要充分考慮船舶施工作業(yè)對過往船舶航行安全以及相鄰碼頭正常運營的影響，盡可能減少使用大型船機設備。

圖3 碼頭總平面布置示意

2.4 原碼頭年久失修，對原結構需充分檢測和復核

高樁碼頭由于上部結構單薄，在自然環(huán)境中易受損壞，樁帽及其上部的橫縱梁節(jié)點為碼頭受力最為集中的部位，也是碼頭耐久性最差的部位。本糧食碼頭建成到現(xiàn)在約有三四十年，又是高樁結構，上部結構為鋼筋混凝土梁板，運營期間曾經(jīng)歷過火災，部分上部結構混凝土表面脫落，鋼筋外露。因此，升級改造前，首先應對現(xiàn)有結構做一個整體檢測，充分了解原結構的裂縫、破損等上部結構混凝土表觀情況以及鋼管樁海水腐蝕程度，犧牲陽極塊是否需要更換，陰極保護的現(xiàn)有情況等等。在全面檢測后，對原結構的現(xiàn)狀有了一定的了解，再對原結構受力進行復核，掌握原結構的承載力情況和預留富裕的程度，并依據(jù)檢測結果對原有混凝土結構進行修補設計、對樁基加設套筒并灌漿等加固設計。

3 設計方案

綜合分析原碼頭的現(xiàn)狀、升級改造的使用要求，以及項目所在地的建設條件，確定了“便于施工、節(jié)省造價”的設計方案的原則。

3.1 靠船墩與工作平臺加固連接成整體

1）設計方案

原工作平臺尺寸為77.15 m×11.5 m，工作平臺頂高程為 6.355 m。兩個副靠船墩分別位于原工作平臺之下，副靠船墩面板高程4.75 m，工作平臺與靠船墩之間沒有連接、彼此分離，工作平臺只承擔卸船機荷載，主要為豎向荷載。改造方案將工作平臺與靠船墩固定在一起，使其整體受力、平臺斜樁分擔靠船力，將靠船力由轉(zhuǎn)化為斜樁軸力，從而減小樁基彎矩，避免了靠船墩因為靠泊荷載變大和增加浚深引起的樁身強度驗算不滿足。新建的100 m工作平臺，同樣將預留的主靠船墩與新工作平臺加固成整體，利用靠船墩和連片式工作平臺整體受力抵抗船舶荷載水平力。

具體的加固連接方案是首先拆除原預制板，在原墩臺的位置上方增加3根750 mm×1 250 mm現(xiàn)澆橫梁，橫梁通過植筋并涂植筋膠以及環(huán)氧樹脂膠結劑的方式與原墩臺和原工作平臺連接[7]。原墩臺與新建平臺連接部位輔以大尺寸角鋼和斜撐鋼板改善傳力機制，避免新增現(xiàn)澆橫梁受扭和水平向彎矩的增加，并采用鋼墊板與螺栓進行連接。

2）結構計算

采用有限元軟件ANSYS進行建模，對樁基和縱橫梁等構件的結構內(nèi)力計算，結構整體計算模型見圖4。鋼管樁采用3-D線性有限應變梁BEAM188單元進行模擬，底部的樁土相互作用采用非線型彈簧COMBIN39單元賦予P-Y曲線作為單元常數(shù)進行模擬。模型中墩臺和裝卸工作平臺連接處的三根現(xiàn)澆橫梁采用約束自由度的方式進行模擬，連接處計算模型見圖 5。碼頭荷載包括自重、堆貨荷載、裝卸船機荷載、船舶荷載，并按歐標工況組合。鋼管樁的樁身強度采用美國API規(guī)范進行驗算（小于1.0為滿足結構強度要求），樁基的內(nèi)力有限元計算結果和樁身結構強度驗算結果如表 1和表 2所示。土層對樁基的承載能力經(jīng)驗算其安全系數(shù)大于2.0，滿足要求。

圖4 原碼頭與墩臺整體模型

圖5 原碼頭與墩臺連接方式

表1 原碼頭平臺樁基內(nèi)力計算結果與樁強度驗算

表2 主靠船墩樁基內(nèi)力計算結果與樁強度驗算

3.2 靠船墩加樁方案

1）設計方案

保持原來的裝卸工作平臺與靠船墩彼此之間相互分離，僅對原靠船墩單獨進行升級改造。因原靠船墩樁基難以滿足8萬t級船型受力要求，需要采取加樁措施。通過反復計算對比，原每個靠船墩增加4根鋼管樁，樁徑1 000 mm，壁厚20 mm。4根直樁分別位于靠船墩兩側(cè)，一側(cè)兩根，并將墩臺兩側(cè)進行加寬，通過植筋的方式將現(xiàn)澆混凝土和原墩臺連接成為整體。加樁方案如圖6所示。

圖6 靠船墩加樁方案平面布置示意

2）結構計算

同樣采用ANSYS建立墩臺模型，對樁基和上部墩臺進行結構內(nèi)力計算。鋼管樁采用美國API規(guī)范進行結構強度驗算，樁基內(nèi)力計算結果和強度驗算如表 3所示。樁基承載力安全系數(shù)大于 2.0，滿足要求。

表3 靠船墩樁基內(nèi)力計算結果與樁強度驗算

3.3 設計方案對比

靠船墩與工作平臺連接成整體的優(yōu)點有：充分利用原有結構整體受力，無需加樁，只有加固部分少量的混凝土量和鋼材量。減少了水上打樁設備與作業(yè)量，工程造價較低，施工工期較短。缺點有：工序較多，需拆除部分預制板，加固完成后再進行修補，還需混凝土鑿毛，植筋，涂植筋膠，安設角鋼、斜撐鋼板，螺栓墊板固定等。

靠船墩加樁方案的優(yōu)點有：施工工序較少，只需打樁并現(xiàn)澆墩臺，仍由靠船墩承受船舶荷載，當靠船墩損壞時，只需修補靠船墩，工作平臺不受影響。缺點有：受現(xiàn)有結構影響和狹窄水域，樁基施工困難。樁基數(shù)量增加較多，4個靠船墩共需要增加 16根樁，工期較長。打樁費用高，改擴建工程造價較高。

綜合考慮工程造價，施工進度，以及實施的安全性和便利性，經(jīng)過比選，碼頭升級改造設計方案采用靠船墩與工作平臺連接成整體的結構方案。

4 結 語

本糧食碼頭建成年代已久，結構單薄，又經(jīng)歷過火災，混凝土結構有較大范圍的破損，而此次碼頭升級改造的特點是靠泊船型升級幅度大，港池浚深大，擴建和改建同時實施，工程水域繁忙且狹窄，出入和作業(yè)的船舶較多，水上施工條件嚴苛，對于升級改造的設計方案造成很大困難。而大幅度的靠泊船型升級要求結構有足夠的承載能力。本設計對比了結構整體連接加固方案與只是靠船墩加樁方案的結構承載能力與施工優(yōu)缺點，并最終確定了采取靠船墩與裝卸工作平臺連接成整體的設計方案，充分利用原有結構的承載能力，將靠船力轉(zhuǎn)化為斜樁軸力，從而減小樁基彎矩，避免了靠船墩因為靠泊船舶荷載變大和增加浚深引起的樁身強度驗算不滿足。既使工期得到壓縮，又降低了造價成本，成功解決了該舊碼頭升級改造遇到的難題。本項目設計方案經(jīng)驗可供類似散貨碼頭項目升級改造提供參考。