重力式碼頭結構設計中國標準與歐洲標準的差異探討

劉成軍，謝賢舉

（中國港灣工程有限責任公司，北京100027）

引言

喀麥隆克里比深水港二期項目地處喀麥隆境內、東南部省會克里比市南面,西臨大西洋。本工程碼頭設計為1 個70 000 t 級集裝箱泊位（結構按 100 000 t 級預留）和1 個100 000 t 級集裝箱泊位，碼頭長度715.5 m。本項目為政府框架EPC 總承包項目，EPC 合同中規定水工結構的設計優先采用中國規范，而喀麥隆受法國影響深遠，普遍采用歐洲標準體系，業主和咨工對中國規范不了解，在設計報批的過程中遇到很大的阻力，為了讓業主接受中國標準，故對碼頭主體結構展開了中國標準與歐洲標準的對比工作。

1 中標與歐標設計原則概述

中標（中國標準，下同）以承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行設計，采用最不利的荷載作用方式來限制變形,防止產生很大的位移沖擊周圍的結構。

歐標（歐洲標準，下同）的設計準則為符合最終極限狀態強度的規定,和使用極限狀態下的變形要求。

荷載效應組合選用在中標和歐標設計中有很大的差別。中標設計采用最不利的荷載效應組合，而歐標有三種設計方法各有不同，第一種方法是Design Approach 1 采用的巖土參數分項系數法，第二種方法是Design A pproach 采用的荷載和抗力分項系數法，第三種方法是Design Approach 3 采用的材料分項系數法，三種方法方法采用不同的荷載組合。一般采用第一種方法進行設計，而該方法又可分為Combination 1 和Combination 2。

當前設計的主要方法為以概率論為基礎,以分項系數表達的極限狀態設計法。關于分項系數中標和歐標的規定有一些不同，其中中標的荷載分項系數、結構重要性系數和抗力分項系數，將公式歸納為荷載效應項和抗力項，這與Eurocode 7 中的Combination 1 基本一致，只是系數大小取值不同，而Eurocode 7 中的Combination 2 不僅采用了荷載與抗力分項系數，同時還引入了土體參數的折減系數。

2 中標與歐標條文對比

本項目碼頭計算時需要考慮的主要荷載包括自重、波浪力、系纜力、剩余水壓力、均載及其產生的土壓力、填料土壓以及門機荷載，主要驗算的內容有主體結構沿基床頂面與底面抗滑、基床頂面主體結構抗傾穩定性，基床應力、地基承載力以及整體穩定性驗算。

對于持久狀況的組合系數，中標所有非主導可變作用的組合系數都取為0.7，而歐標中波浪力組合系數為0.6，均載為0.7，門機荷載為0.75。

3 荷載計算條文對比

自重、均載以及門機荷載計算結果與規范無關，在此不作對比，現主要從其他幾種荷載為切入點進行分析。

3.1 波浪力

1）依據《港口與航道水文規范》（JTS 145-2015）第10.1.1 條，波浪對直墻式建筑物的作用，通過判定墻前波浪形態，采用第10.1.2 條～10.1.9 條中的相關規定進行計算。經判定本項目波浪形態應采用第10.1.3 條與10.1.4 條計算[1]。

第10.1.3 條規定：

波峰：

波谷：

第10.1.4 條規定：

波峰：

波谷：采用與第10.1.3 條規定相同計算公式。

2）根據歐標EN BS 6349-1 第39.4.2 條中對于波浪力計算的說明，只有波峰作用的計算方法，這與日本標準OCDI 中的規定相同，因此按照OCDI中第5.2.2 條波浪力計算公式計算，該計算體系對立波和破碎波的計算公式并未做區別，而中標是作了區分計算的，同時該計算體系中采用的波高是最大波高HD=1.8H1/3。

3.2 系纜力

1）依據中標《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）第10.2.3 條規定，海船系纜夾角宜根據船舶具體系纜情況確定，連片式碼頭也可按規范中表10.2.3 采用[2]；

表1 中標與歐標荷載分項系數Tab.1 Chinese standard and European standard load partial coefficient

表2 中標不同水文對應剩余水頭Tab.2 The residual head of different water levels according to Chinese standard

表3 歐標不同水位對應剩余水頭Tab.3 The residual head of different water levels according to European standard

2）根據歐標EN BS 6349 第7.3 條規定，系纜的水平投影與前沿線的夾角一般為正負四十五度或九十度，系纜與水平面間的角度不大于二十五 度[6]。

經計算，中標計算出的系纜力大小為967 kN，歐標計算出的系纜力大小為1 047 kN，最后均選用2 000 kN 系船柱。

3.3 土壓力

關于土壓力的計算中標與歐標公式相同，即采用庫倫土壓力計算公式，但是對于土體摩擦角的規定有差異。

主動土壓力系數：

填料土壓力：

均載產生土壓力：

1）依據《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）的第7.1.18 條，垂直墻背與填料間的摩擦角取填料內摩擦角標準值的1/3，而墻背以上外摩擦角取0[3]。

2）Eurocode7 第9.5 條規定土體與墻背之間的外摩擦角不應超過2/3 的土體內摩擦角，而BS 6349-2:2010 中直接取2/3 土體內摩擦角，且墻背以上外摩擦角等于土體內摩擦角。

圖1 歐標BS 6349-2:2010 土體摩擦角取值示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil friction angle values according to European standard EN BS6349-2:2010

另外歐標中對于土體參數采用了兩套方法進行計算，即Combination1 和Combination2，其中前者不對土體進行折減，而后者需要通過規定的折減系數對土體進行相應折減用于計算土壓力，折減系數詳見Eurocode7 中附錄A[8]。

3.4 剩余水壓力

中標與歐標剩余水壓力的計算公式相同，都是采用兩側靜水壓力差，但是兩種標準對剩余水頭的取值方法略有不同。

根據中標《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）第7.1.2 條關于剩余水壓力的相關規定，本項目墻后回填中粗砂，剩余水頭的標準值取平均潮差的1/4。

歐標EN BS 6349-1 中第13.1 條規定，對于潮汐區無排水，假定地下水位取為（MHWS+MLWS）/2[5]。

圖2 歐標EN BS6349-1 假定地下水位示意圖Fig.2 Schematic diagram of assumed groundwater level according to European standard EN BS6349-1

3.5 船舶撞擊能

1）中標船舶撞擊能按照《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）相關規定計算。

船舶靠岸有效撞擊能E0根據規范第10.4.2 條按下式計算：

系泊船舶橫浪作用下有效撞擊能Ewo根據規范（JTS 144-1-2010）附錄J 規定按以下公式計算：

對于岸壁式碼頭，分配在每組護舷上的有效撞擊能Ew根據規范（JTS 144-1-2010）附錄J 規定按下式計算：

以上公式中各參數意義及取值詳見規范（JTS 144-1-2010）第10.4.2 條及附錄J，在此不再詳述。

2）歐標EN BS 6349-4 第5.2 條規定，對于船舶平行護舷靠泊時，船舶靠泊撞擊能采用以下公式計算[7]：

式中:E為船的撞擊能（kJ）；CM為船的附加水體影響系數；MD為船的排水量（t）；VB為船的靠岸法向速度(m/s)，靠泊速度根據規范中圖9 選取，見下圖。

圖3 歐標EN BS 6349-4 靠泊速度VB 選取曲線圖Fig.3 Design berthing velocity as function of navigation conditions and size of vessel according to European standard BS 6349-4

上圖中a 曲線是在良好靠泊與掩護條件下；b曲線是有掩護，但靠泊比較困難；c 曲線是良好靠泊條件，但暴露在波浪或水流條件下；d 曲線是靠泊比較困難，且暴露在波浪或水流條件下；e 曲線是靠泊非常不利，且暴露在波浪或水流條件下。

CE為偏心系數；CS為結構柔性系數；CC為結構形式系數。

對于龍骨下富余深度大于0.1D，船舶附加水體影響系數：

偏心系數：

曲率：

方形系數Cb參考BS 6349-1中表D.2，見表4。

表4 歐標BS 6349-1 方形系數Cb 取值查詢表Tab.4 Typical ranges of Cb according to European standard BS6349-1

表5 歐標BS6349-2 滑動力與抗滑力組合計算公式Tab.5 Formulae for combinations of actions according to European standard BS6349-2（Ultimate limit states）

撞擊點與船舶質心之間的距離：

對于超過50 000 DWT 的船，船舶靠泊角最大取 6 °；質心與撞擊點連線與速度方向夾角γ=90°-α-asin（B/（2R））；一般情況下，柔性系數 CS和結構形式系數 CC均取1.0；根據EN BS 6349-4 第5.1 條的規定，對于連片式岸壁碼頭應考慮非正常撞擊能量，按照正常撞擊能的1.5倍考慮。

4 結果驗算條文對比

4.1 抗滑穩定性驗算

1 ）依據中標《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018），對岸壁碼頭，沿底面的抗滑穩定性，要滿足規范第7.3.1 條的相關要求。

①不計波浪作用，可變作用產生的土壓力為主導的情況下：

②沿胸墻底的抗滑穩定性，不計波浪作用，系纜力為主導的情況下：

③計波浪作用，且波浪力為主導的情況下：

④計波浪作用，堆載土壓力為主導的情況下：

2）依據EN BS EN 1997-1,Eurocode 7 第6.5.3條規定，抗滑穩定性驗算應滿足下式：

滑動力與抗滑力組合計算公式詳見EN BS 6349-2 附錄A3.3，見下表：

第5.3.7 條規定受力層最大深度：

抗力分項系數一般取2.0～3.0，具體根據建筑物地基土狀況，并結合其強度指標的可靠性、結構安全級別等進行確定。

3）歐洲標準依據Eurocode7 第6.5.2 條規定，地基承載力驗算應采用以下公式：Vd

4.2 整體穩定性驗算

1）土坡和條形基礎的地基穩定性驗算，依據中標《水運工程地基設計規范》（JTS 147-2017）的第6.3 條，按平面問題考慮，用圓弧滑動簡單條分法驗算[4]。

危險滑動面應滿足規范（JTS 147-2017）規定的以下極限狀態設計表達式：

其中：γ'0取1.0，γR查規范表6.4.1 取1.3。

表6 中標與歐標計算對比匯總表Tab.6 Comparison Table of Chinese Standard and European Standard Calculation

荷載分項系數γs采用綜合分項系數1.0，利用GEO-SLOPE 軟件計算整體穩定性。

2）依據Eurocode7 第11.5 條規定，應對承載能力極限狀態（GEO 與STR）計算建筑的整體穩定性，需分別采用Combination1 和Combination2 兩種方法計算；各分項系數依據規范附錄A3.1 與A3.2 選取，抗力分項系數參照附錄A3.3.5 選取，同時參照EN BS 6349-2 附錄A3.1、A3.2 與A3.3 相關組合與系數取值。對于Combination1，考慮到自重不利分項系數為1.35，有利分項系數為1.0，需要區分有利與不利，此處為了計算將自重分項系數取為1，其他荷載分項系數均除以1.35，因此安全系數采用1.35；Combination2 安全系數按照表A.5 取為1.0。

各分項系數與土體強度折減系數參照以上規定，采用GEO-SLOPE 軟件計算整體穩定性，且歐標計算中一般采用畢肖普法。

5 中標與歐標計算結果對比

通過對喀麥隆克里比深水港二期項目碼頭結構分析計算對比，可得到如下結論：

1）抗滑安全系數歐標計算結果略低于中標計算結果；

2）抗傾安全系數歐標計算結果高于中標計算結果；

3）基床應力歐標計算結果略低于中標計算結果；

4）地基承載力歐標計算結果高于中標計算結果。

綜上分析可以看出，重力式碼頭結構設計中標的技術要求略高于歐標的要求。