新型鋼框架重力式碼頭在巴拿馬港口工程的應(yīng)用

鄭 龍，龔 煌，盧 超

(中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，海工結(jié)構(gòu)新材料及維護加固技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040)

重力式方塊碼頭是國內(nèi)外分布較廣、使用較多的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)堅固耐久、抗凍和抗冰性能好，能承受較大的地面荷載和船舶荷載，對較大的集中荷載、碼頭地面超載和裝卸工藝變化適應(yīng)性較強，深受施工單位歡迎。

目前，國內(nèi)外海港大型碼頭工程施工，往往需要配備專門的臨時出運碼頭，服務(wù)于整個主體工程施工期間的物資及主體結(jié)構(gòu)運輸。這類臨時出運碼頭，對主碼頭的工期影響較大，由于大多屬于臨時工程，處于無掩護區(qū)域，波浪和潮差較大，施工條件較為惡劣。因此，如果采用傳統(tǒng)的重力式方塊結(jié)構(gòu)，工程造價較高、水下施工難度較大。

國內(nèi)學者對這類臨時碼頭工程的結(jié)構(gòu)形式做了大量的探索。王明明等[1]在某島嶼臨時碼頭工程中，采用一種網(wǎng)箱塊石結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)重力式方塊碼頭下方的預制混凝土塊體，其形式簡單、施工速度快、混凝土用量小，工程造價低。許峰等[2]在某出運碼頭工程中，對重力式方塊卸荷板結(jié)構(gòu)進行改進，碼頭主體后方設(shè)灌注樁及現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，減少卸荷板懸臂部分上部荷載，防止基床頂面產(chǎn)生較大的后傾應(yīng)力。祝世華等[3]提出一種錨拉式重力式方塊結(jié)構(gòu)，通過配合使用的錨拉結(jié)構(gòu)增強碼頭的整體穩(wěn)定性，改善基床應(yīng)力分布，減少墻身寬度，放寬了對墻后回填料的材質(zhì)要求，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)斷面尺寸。高全全等[4]將一種網(wǎng)箱石籠結(jié)構(gòu)應(yīng)用于青海湖二郎劍景區(qū)碼頭改擴建工程，該結(jié)構(gòu)吊裝方便、經(jīng)濟高效，提高了水下施工質(zhì)量。

為解決傳統(tǒng)重力式方塊碼頭混凝土工程量大、水下施工困難等問題，本文基于巴拿馬某港口工程，借鑒格賓網(wǎng)箱石籠結(jié)構(gòu)在內(nèi)河碼頭應(yīng)用的理念，對傳統(tǒng)重力式方塊碼頭的豎向結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，研發(fā)出一種結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、造價較低的新型鋼框架重力式碼頭結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

港口工程位于巴拿馬灣內(nèi)，緊鄰巴拿馬城南部的佩里科島(Perico Island)東側(cè)，建設(shè)規(guī)模為兩個20萬噸級郵輪碼頭泊位，為滿足工程施工所需80萬m3石料及物資設(shè)備的運輸，建設(shè)1個臨時出運碼頭。出運碼頭處于無掩護水域，設(shè)計波高約2.0 m，每日平均潮差近6 m，水下施工難度較大，且工期緊張。因此確定合理的碼頭結(jié)構(gòu)形式是出運碼頭設(shè)計和施工的重點及難點。

根據(jù)工程現(xiàn)場的地勘報告，出運碼頭區(qū)域上覆蓋層為有機質(zhì)黏土和黏土質(zhì)粉砂，下臥基巖為強風化巖，地基承載力較好，適宜采用重力式結(jié)構(gòu)。同時，為彌補傳統(tǒng)重力式方塊碼頭方塊水下安裝困難、混凝土工程量較大的不足，通過優(yōu)化碼頭結(jié)構(gòu)的豎向布置，將平均海平面以下的預制混凝土方塊替換為鋼框架，提出一種鋼框架重力式結(jié)構(gòu)。

2 碼頭結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)形式

結(jié)合國內(nèi)傳統(tǒng)重力式方塊碼頭的結(jié)構(gòu)形式，新型鋼框架重力式結(jié)構(gòu)采用的技術(shù)方案為：由下至上依次設(shè)置拋石基床、鋼框架、預制混凝土方塊、墻后回填料、現(xiàn)澆混凝土面層、現(xiàn)澆胸墻和附屬設(shè)施等[5]。其中，拋石基床采用暗基床形式，基床厚0.5 m、寬6 m；基床粗平后擱置鋼框架并回填塊石；鋼框架及其頂部4層預制混凝土方塊形成整個碼頭前墻；墻后拋填10～100 kg塊石并夯實；碼頭面層現(xiàn)澆厚500 mm混凝土形成作業(yè)面；為保證碼頭使用安全，現(xiàn)澆高1 300 mm、寬500 mm的胸墻，與碼頭面層形成整體。碼頭結(jié)構(gòu)斷面和立面見圖1。

圖1 碼頭斷面和立面

本結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心在于鋼框架。單個鋼框架為長方體，垂直碼頭方向長4 m，沿碼頭方向?qū)? m，高為3 m。鋼框架擱置在粗平后的拋石基床上，拋填10～100 kg塊石并夯實。為滿足鋼框架的結(jié)構(gòu)安全要求，鋼框架內(nèi)加焊斜撐；為減少框架內(nèi)拋填塊石流失，鋼框架迎水面布設(shè)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片采用A10鋼筋沿縱橫向間隔100 mm分布。鋼框架結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 鋼框架結(jié)構(gòu)

鋼框架采用型鋼[14和型鋼[12組合焊接，根據(jù)歐標BS EN 1993-2:2006[6]中的相關(guān)規(guī)定，鋼框架型鋼采用的鋼材等級為S235，其鋼材屈服強度fy=235 MPa，鋼材極限抗拉強度fu=360 MPa，型鋼之間采用角焊縫連接，鋼框架現(xiàn)場焊接見圖3。

圖3 鋼框架現(xiàn)場焊接

2.2 鋼框架計算

2.2.1高程

碼頭面頂高程為5.1 m，平均高潮位為0.38 m，平均海平面為2.0 m，鋼框架頂高程為2.0 m，平均低潮位為0 m，前沿泥面高程為-1.0 m。

2.2.2設(shè)計船型

出運碼頭的設(shè)計船型為開體駁，其船型尺度為：船長60.8 m，船寬18.5 m，型深3.66 m，滿載吃水2.6 m。

2.2.3設(shè)計荷載

出運碼頭主要負責石料外運，其作業(yè)流程為：自卸車→碼頭面層堆料→挖掘機→開體駁。設(shè)計荷載主要包括：

1)堆料荷載q1。碼頭面層堆料最大堆高按2 m控制，則碼頭面堆料荷載q1=34 kPa。

2)挖掘機荷載q2。碼頭面層石料主要使用挖掘機裝船作業(yè)，型號為CAT-330F，挖掘機工作狀態(tài)位置見圖4a)，荷載分布見圖4b)。

圖4 挖掘機工作狀態(tài)與荷載分布

3)上部結(jié)構(gòu)自重荷載。除碼頭面層堆載和挖掘機荷載外，鋼框架還承受其上部結(jié)構(gòu)自重荷載，分別包括：混凝土方塊自重荷載q3=72 kPa；現(xiàn)澆胸墻自重荷載q4=4.1 kPa；回填塊石自重荷載q5=26.5 kPa。

綜上，作用在鋼框架頂面上的均布荷載標準值q(=q1+q2+q3+q4+q5)為197.7 kPa。

2.2.4荷載組合

根據(jù)BS 6349-2[7]附錄A和BS EN 1990[8]附錄A1中的規(guī)定，型鋼框架的荷載組合及分項系數(shù)見表1。

表1 荷載組合及作用分項系數(shù)

注：ULS為承載能力極限狀態(tài)組合；STR為結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)；SLS為正常使用極限狀態(tài)。

2.2.5鋼框架受力分析

鋼框架的受力特點與沉箱結(jié)構(gòu)類似，鋼框架各型鋼外壁垂直側(cè)壓力σz和水平壓力σx的計算分析可參考Janssen公式[9]：

(1)

σx=σzK

(2)

(3)

式中：σz為垂直壓力標準值(kPa);σx為側(cè)壓力標準值(kPa);ρ為填料密度；A為系數(shù);Z為計算點距填料頂面的深度(m);q為作用在鋼框架頂面上的均布荷載標準值(kPa)；K為鋼框架內(nèi)填料的側(cè)壓力系數(shù)，取K=1-sinφ，其中φ為填料內(nèi)摩擦角(°)；U為鋼框架的橫截面內(nèi)周長(m);δ為填料與鋼框架之間的外摩擦角(°)；S為鋼框架的橫截面面積(m2)。

根據(jù)式(1)～(3)，鋼框架型鋼的壓力分布計算結(jié)果見表2。

表2 鋼框架型鋼的壓力分布

2.2.6有限元模型

考慮采用通用有限元軟件Midas Civil對鋼框架建模計算，鋼框架梁單元應(yīng)力云圖計算結(jié)果見圖5a)，鋼框架位移云圖計算結(jié)果見圖5b)。

通過Midas Civil建模計算，型鋼梁單元極限應(yīng)力為137.5 MPa，型鋼最大位移為6.8 mm，均滿足歐標、英標要求。

圖5 鋼框架梁單元應(yīng)力與位移云圖

3 效果評價

3.1 混凝土工程量減少，造價降低

鋼框架重力式碼頭，與傳統(tǒng)的重力式方塊碼頭相比，將平均海平面以下的預制混凝土方塊替換為鋼框架，混凝土工程量減少30%～40%。同時鋼框架自身質(zhì)量較輕，其大小可以根據(jù)工程實際需要確定，對設(shè)備的吊裝能力要求較低。根據(jù)現(xiàn)場實施情況，其工程總造價節(jié)約15%～20%。

3.2 施工工序減少，施工效率提高

鋼框架及其內(nèi)回填塊石形成一種柔性結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)基礎(chǔ)不均勻沉陷而不會導致內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受破壞，基礎(chǔ)處理簡單，拋石基床只需要粗平，鋼框架即可直接擱置；同時鋼框架結(jié)構(gòu)本身透水性強，能夠減小墻后剩余水壓力，不需要另設(shè)排水，減少了施工工序。

3.3 水下安裝便利，工期縮短

鋼框架相對混凝土方塊安裝精度要求較低，受潮汐影響較小，水下安裝便利，據(jù)現(xiàn)場施工吊裝統(tǒng)計分析，吊裝30 m節(jié)段的鋼框架比混凝土方塊約節(jié)省2 d工期。同時，鋼框架內(nèi)拋石完成碼頭即可迅速出水，為上部結(jié)構(gòu)的施工爭取了時間，縮短了工期。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

碼頭建成整體效果見圖6。該出運碼頭目前已建成并營運1 a有余，碼頭營運安全穩(wěn)定，能夠滿足石料及物資設(shè)備的出運要求。但是同時也有一些缺點：

1)巴拿馬港口每日潮差較大，鋼框架位于水位變動區(qū)，受海水侵蝕作用較嚴重，本工程中部分涂層保護未達到設(shè)計要求，導致鋼框架受到不同程度的腐蝕破壞，主要表現(xiàn)在型鋼和鋼筋網(wǎng)片銹蝕。鑒于其為臨時工程，因此影響不大。若將該結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用于使用年限更長的臨時工程或永久工程，則須對鋼框架采取與設(shè)計使用年限相對應(yīng)的防腐措施。

2)本工程為臨時工程，處于開敞海域，波浪作用較大，鋼框架內(nèi)回填料有少量流失，尤其是碼頭迎浪側(cè)。鋼框架內(nèi)回填料的流失對碼頭的整體穩(wěn)定性有一定影響，回填料應(yīng)選擇級配良好的塊石，同時迎浪側(cè)盡量采用粒徑較大的塊石并振搗密實。

圖6 碼頭整體效果

5 防腐設(shè)計及應(yīng)用推廣

鋼框架作為碼頭前墻，其耐久性對碼頭結(jié)構(gòu)安全及使用年限影響較大。由于海港工程一般潮差較大，鋼框架位于水位變動區(qū)，受海水腐蝕作用較嚴重，鋼框架的耐久性主要取決于其防腐性能。

5.1 預留腐蝕余量和涂層聯(lián)合保護

對于海港工程，鋼結(jié)構(gòu)防腐宜采用預留腐蝕余量和涂層聯(lián)合保護，根據(jù)現(xiàn)行《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》[10]，單面腐蝕余量可按下式計算：

Δδ=K[(1-P)t1+(t-t1)]

(4)

式中：Δδ為單面腐蝕余量(mm);K為鋼結(jié)構(gòu)單面平均腐蝕速度，對于水位變動區(qū)取0.12 mma;P為保護效率，采用涂層保護取50%；t1為防腐蝕措施的設(shè)計使用年限(a);t為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限(a)。

按常規(guī)臨時工程設(shè)計，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限t取5 a，防腐蝕措施設(shè)計使用年限t1取5 a，根據(jù)式(4)，鋼框架的單面腐蝕余量Δδ=0.3 mm。

除預留腐蝕余量外，型鋼框架還應(yīng)噴涂防腐涂層，具體涂層保護方案為：底層采用富鋅漆，平均厚度40 μm；中間層噴涂環(huán)氧樹脂漆，平均厚度200 μm；面層加噴一道聚氨脂漆，平均厚度100 μm。在噴涂防腐涂層以前，應(yīng)首先對鋼框架進行表面預處理，其表面清潔度等級應(yīng)不低于Sa 2.5級。

本工程設(shè)計使用年限僅為2a，根據(jù)式(4)計算，型鋼[14和型鋼[12扣除預留腐蝕余量0.12 mm后，經(jīng)Midas Civil建模計算，型鋼梁單元極限應(yīng)力為140.8 MPa，滿足結(jié)構(gòu)安全使用要求。

5.2 鋼筋網(wǎng)片采用FRP筋

本工程因設(shè)計使用年限較短，鋼框架迎水面的鋼筋網(wǎng)片為傳統(tǒng)鋼筋。對于其他使用年限更長的臨時工程或永久工程，建議采用新型纖維增強塑料(FRP)筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋。FRP筋抗腐蝕能力強，不會像傳統(tǒng)鋼筋那樣因銹蝕而破壞，結(jié)構(gòu)耐久性好，后期維修成本低，因此適合應(yīng)用在防腐要求較高的海港工程[11]。

6 結(jié)語

1)本文借鑒格賓網(wǎng)箱石籠結(jié)構(gòu)在內(nèi)河碼頭應(yīng)用的理念，對傳統(tǒng)重力式方塊碼頭的豎向結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，研發(fā)了一種形式新穎、結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、造價較低的鋼框架重力式碼頭結(jié)構(gòu)。

2)鋼框架安裝便利，對基床的適應(yīng)性較好，減少了水下施工作業(yè)和大潮差對施工的影響，對設(shè)備的吊裝能力要求較低，提高了施工效率。

3)鋼框架是碼頭前墻組成部分，由于其耐久性欠佳，若將其推廣到設(shè)計使用年限較長的工程或永久工程，應(yīng)對型鋼框架采取預留腐蝕余量、涂層保護和使用FRP筋等防腐措施，以提高其耐久性。