高樁碼頭結構中歐美日規范對比研究

沈啟亮，駱俊彬，許建武

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

工程標準作為港口結構設計的基礎性，應起到規范和指導作用[1]。為提高我國的港口工程設計標準和規范，除了總結國內近些年的工程經驗外，有必要了解國外港口工程建設標準和相應工程經驗。

概率理論為基礎的以分項系數表達的極限狀態設計方法在港口工程界的使用，無論是以英國外代表的國外標準還是中國標準，均是從20 世紀90年代開始的。國際上通用的是美國和歐洲等國家標準，其他很多國家當地標準是基于美歐標準一個體系的，為在境外港口工程中推廣中國規范，經常需要采取多種國內外標準進行對比分析[2]。發展到目前，歐美大部分國家及中國的港口工程結構設計理論均已逐步過渡到基于可靠度理論以分項系數為表達的極限狀態設計法[3]。從基于經驗的安全系數法的舊規范轉為以概率論為表達的基于可靠度理論的極限狀態設計法，極大的提高了我國港口工程設計標準水平,讓我國碼頭結構設計標準躋身于世界先進之列[4]。

對于國外高樁碼頭結構計算選用不同標準產生的計算結果差異問題[5]，本文對于同一高樁碼頭典型斷面，采用相同的荷載標準值，通過選用中歐美日規范中的不同荷載分項系數，以及相應規范中的荷載組合。計算了承載能力極限狀態與正常使用極限狀態（標準組合）下的工況，并且對比分析了應用不同規范下的樁基和上部結構內力的結果。

1 項目概況

某高樁碼頭工程為一座7.5 萬t 級散貨碼頭，結構形式為高樁梁板結構。碼頭面高程為5.25 m，碼頭前沿水深為-15.6 m。碼頭結構示意如圖1。

圖1 某高樁碼頭結構示意

該碼頭長300 m，寬30 m，分為100 m 一個結構段，設計使用年限50 年。碼頭排架間距為9.5 m，樁基采用Φ800 mm 鋼管樁和Φ1 000 mm 鋼管樁，水工結構按7.5 萬t 級散貨碼頭設計。第一排軌道梁下方樁基為Φ1 000 mm 鋼管樁直樁，后軌道梁為一對Φ800 mm 斜率為3:1 的鋼管樁叉樁，其他3個樁為Φ800 mm 鋼管樁直樁。樁端持力層為N＞50擊的中密砂層，平均樁長28～30 m。

上部結構為高樁梁板式結構，樁帽高度1.2 m，橫梁高2 m，寬1.2 m，樁帽和橫梁為現澆結構。軌道梁和面板為預制結構。軌道梁高1.4 m，寬1.2 m。預制面板厚度為450 mm，現澆面層厚度為150 mm，磨耗層厚度50 mm。

系船柱采用200t 系船柱，每隔19 m 間隔布置。橡膠護舷采用SC1450H (R1)鼓型橡膠護舷，吸能大于775 km，最大反力1 294 kN，間隔19 m 布置。

2 設計條件

1）地質

碼頭所在位置原泥面高程約為-7.4～-9.6 m，碼頭前沿開挖底高程為-17.1 m，后方為-9.6 m。原泥面到-16 m 為標貫小于10 擊的粉細砂、粘土質砂，-16～-22.7 m 為標貫小于50 擊（大部分約35 擊）的粘土，最下層為標貫大于50 擊的中粗砂或礫石。

2）波浪

此港區波浪極小，本計算案例不考慮波浪作用。

3）作用標準值

堆載：碼頭面滿布20 kPa 均載。

系纜力：系纜力合力N=1 389.4 kN，其中，平行于碼頭前沿線方向分力Nx=671.0 kN，垂直于碼頭前沿線方向分力Ny=1 162.3 kN，豎向力Nz=359.6 kN。考慮兩個系船柱受力，間隔4 跨。

撞擊力：撞擊力考慮兩個護舷作用，護舷反力1 294 kN，摩擦系數0.2，相鄰兩個護舷間隔2 跨。門機荷載：門機包括NIV 600，SIMPORTER 和KANGAROO三種型號，其中NIV 600，SIMPORTER 門機豎向力300 kN/輪，水平力30 kN/輪。KANGAROO 門機前軌輪壓為豎向力270 kN/輪和210 kN/輪（視吊臂位置，下同），水平力23 kN/輪和20 kN/輪，后軌輪壓為豎向力140 kN/輪和190 kN/輪，水平力12 kN/輪和17 kN/輪。考慮四臺門機并列作業，荷載如圖2 所示。

圖2 某高樁碼頭門機荷載分布示意

5）有限元模型

結構計算采用通用有限元計算軟件ANSYS，面板以SHELL63 單元進行模擬，橫縱梁和樁基采用BEAM188 單元進行模擬。樁土水平方向相互作用采用Combin39 單元進行模擬，以P-Y曲線賦予彈簧的力-位移變化特性。模型中樁基的假想計算表面位于碼頭前沿線原泥面與實際斜坡面交點的中間處，如圖3 所示。

圖3 護坡結構假想計算表面

土層參數如表1。

表1 土層力學指標參數

模型中材料特性如表2。

表2 材料力學指標參數

有限元模型如圖4、圖5。

圖4 高樁案例有限元模型斷面示意

圖5 高樁案例有限元模型整體示意

3 工況組合

結構極限狀態設計表達式應根據各種極限狀態的設計要求，采用有關的作用代表值、材料和巖土性能標準值、幾何量及各種分項系數等表達。

根據各國標準，本節列出本案例所考慮的荷載組合工況。其中歐標工況與國標工況為承載能力極限狀態與正常使用極限狀態（標準組合）下的持久工況，日標工況為基于可靠度的分項系數法，美標工況為載荷及抗力系數法（LRFD）方法與允許應力法（ASD）。各荷載縮寫如下：

DL-自重；HL-堆載；ML-系纜力；BL-撞擊力；CLH-門機風荷載；CLV-門機荷載-僅豎向力。

1）中國標準

根據《JTS 167-2018 碼頭結構設計規范》[6]的相關規定，本案例的設計工況組合如表3 所示。

表3 按中國標準設計工況組合

2）歐洲標準體系

根據《BS 6349-1-2-2016 General -Code of practice for assessment of actions》[7]中的英標的相關規定，本案例的設計工況組合如表4 所示。

表4 按歐洲標準設計工況組合

3）美國標準

根據《UFC-DESIGN: PIERS AND WHARVES》[8]的相關規定，本案例的設計工況組合如表5 所示。

表5 按美國標準設計工況組合（LRFD）

4）日本標準

根據《OCDI-2009 日本港口工程規范》[9]的相關規定，本案例的設計工況組合如表6 所示。

表6 按日本標準設計工況組合

4 計算結果分析

根據各國港口工程標準，針對高樁碼頭案例進行受力計算。

分析計算結果，以國標JTS 為基準，從樁力的結果可以看出，美標的計算值比國標JTS 大10 %左右。歐標EN 較中標JTS 比較接近，歐標的計算值比國標JTS 小5 %左右。日標OCDI 樁力偏小，比國標大約小25 %。從碼頭上部結構的內力也可以看出國標JTS 和美標UFC、歐標EN 的結果比較接近。以承載能力極限狀態為例，橫梁內力美標和歐標相比國標差距在10 %以內，縱梁內力美標和歐標差距在6 %以內。相對來說，日標OCDI 計算結果要比國標偏小，承載能力極限狀態日標偏小20 %左右。

5 結語

通過對于國標和歐標工況的承載能力極限狀態與正常使用極限狀態（標準組合）的計算，以及美標LRFD 和ASD 工況以及日標分項系數法的結果。從樁力的結果可以看出國標和美標較為接近，歐標較中標美標偏小一點但也比較接近，日標樁力偏小。這是因為國標、歐標、美標各個荷載分項系數有所區別，但綜合分項系數較為接近，所以樁力結果差別不大。日標的分項系數相比中美歐標較小，因此樁基內力也偏小。從碼頭上部結構的內力也可以看出國標和美標的結果比較接近，歐標也差別不大。相對來說日標計算結果要偏小，日標因為未明確承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分項系數，計算結果只是列了與其他標準的承載能力極限狀態對比。

在實際國外項目工程設計中，用的比較多是歐標，歐標中結合具體的項目用到歐標體系中的英標最為常用。英標規范BS6349 中設計對象與港工相關的類型是STR/GEO，STR 的情況是結構或其組件的內部失穩或過大變形，包括如淺基礎、樁基和地下室墻體，結構材料的強度對提供抗力的作用明顯。GEO 的情況是地基失穩或過大變形，土或巖石對提供抗力的作用明顯。美標中常用的規范有ASCE、API 以及美國高速公路規范，API 常用來驗算樁基承載力和歐標的tomlinson 方法進行校核。日標OCDI 在國外項目高樁結構設計中應用較少，主要是用到一些設計輸入的荷載計算。