裝配式海岸工程混凝土結構研究與應用進展*

江佳斐,薛偉辰,余 濤

(1.同濟大學土木工程學院,上海 200092; 2.香港理工大學土木及環境工程系,香港 999077)

0 引言

沿海國家和地區重要的交通類基礎設施結構為海岸工程混凝土結構。其中,碼頭和防波堤是典型的海岸工程混凝土結構。按下部結構類型,碼頭分為重力式碼頭、高樁碼頭和板樁碼頭,防波堤分為斜坡式、直立式和混合式。上述海岸工程混凝土結構的下部結構多采用預制構件,如沉箱、圓筒、樁、塊體等,但上部結構則多采用現澆工藝[1]。因此,上部結構體量占比較高的高樁碼頭、板樁碼頭及樁基透空式防波堤(直立式防波堤的一種)的預制率(預制混凝土方量占比)相比于其他海岸工程混凝土結構較低[2]。這3類結構的建造效率低、能耗高的問題較突出,亟待解決。近年來,國內外有關裝配式高樁碼頭、板樁碼頭及樁基透空式防波堤的研究與應用取得了一些進展,提出了樁-預制樁帽(或預制橫梁)連接節點方案與構造措施。但與建筑結構的裝配式技術相比,適用于海岸工程的裝配式技術的研究尚屬起步階段,也未形成裝配式海岸工程混凝土結構的標準體系。

為大力推動裝配式技術在海岸工程等基礎設施領域的發展,2020年7月住房和城鄉建設部、國家發展改革委、水利部等十三部委聯合發布了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》,要求在包括水運在內的諸多行業推廣應用裝配式技術。2021年交通運輸部與科學技術部聯合印發了《關于科技創新驅動加快建設交通強國的意見》,要求推動交通基礎設施裝配化、工業化、標準化和數字化發展。

以下將介紹3類典型的裝配式海岸工程混凝土結構(高樁碼頭、板樁碼頭、樁基透空式防波堤)的特點,總結國內外有關其力學性能、技術標準與工程應用的最新研究進展。最后,對裝配式海岸工程混凝土結構的前景進行了展望。

1 典型裝配式海岸工程混凝土結構

1.1 高樁碼頭

高樁碼頭是一種適用于深水及軟弱土地基條件的結構體系,其主體結構由樁與不同類型的上部結構通過一定的連接方式形成整體。按上部結構類型分,高樁碼頭分為梁板式、無梁板式、桁架式和承臺式4類結構體系。其中,梁板式高樁碼頭最為常用。該類高樁碼頭的上部結構構件主要包括樁帽、橫梁、縱梁與面板等(見圖1a),其中樁帽和橫梁一般為現澆。

圖1 梁板式高樁碼頭結構與樁節點構造

樁與樁帽或橫梁的連接常采用如圖1所示方式,根據樁身插入樁帽或橫梁的深度不同,樁節點分為剛接(圖1b左)和鉸接(圖1b右)(d為樁徑,l0為樁芯縱向鋼筋伸出樁頂長度,l為樁伸入樁帽或橫梁長度)[3],目前工程中較常見的為剛接。與橫梁連接的縱梁和面板一般為現澆或疊合構件,縱橫梁核心區及板拼縫處均采用后澆帶施工工藝。

1.2 板樁碼頭

板樁碼頭結構一般由板樁、鋼拉桿、帽梁(或胸墻)、導梁及錨碇等組成,具有對復雜地質條件適應性強的特點。由于板樁是薄壁結構,其僅能在有限的插入深度范圍內具有足夠的抗彎能力,因此板樁碼頭的靠泊能力一般較低。針對這一問題,我國研究人員研發了一系列新型的板樁結構形式[4-5],如卸荷式板樁碼頭(見圖2a)、遮簾式板樁碼頭、鋼管板樁碼頭等,通過降低板樁前的土壓力或增加板樁的抗彎剛度提高板樁碼頭的靠泊能力。

圖2 板樁碼頭結構與板樁節點構造

在板樁碼頭中,板樁主要為預制混凝土樁或鋼板樁,帽梁(或胸墻)多為現澆。板樁與帽梁(或胸墻)的連接方式多為剛接。以預制混凝土樁為例,板樁節點的連接方式為板樁出筋并伸入帽梁(或胸墻)一定深度(500～700mm)(見圖2b)[3]。該連接方式與高樁碼頭的剛性樁節點相似。

1.3 樁基透空式防波堤

防波堤是位于港區外圍以圍護港內水域平穩的建筑物,按斷面形式,分為斜坡式、直立式和混合式3種。其中,直立式防波堤用材少,用海面積小。樁基透空式防波堤是一種新型的環境友好型直立式防波堤,可實現港口內外海水交換 (見圖3a)[6],因此成為近年來主要采用的結構形式之一。

圖3 樁基透空式防波堤結構與典型預制構件

該類防波堤主要由預制樁、現澆承臺、擋浪板等組成。樁與承臺的連接通常采用高樁碼頭中的承插式連接方式。預制擋浪板與承臺則一般通過濕連接形成整體(見圖3b)。但由于擋浪板預制構件大、其施工過程中受海洋環境影響顯著,因此目前預制擋浪板的應用較少,迫切需研發適用于大型構件在海洋施工環境下的高效連接方式。

2 裝配式海岸工程混凝土結構受力性能

高樁碼頭、板樁碼頭及樁基透空式防波堤這3類典型海岸工程混凝土結構均主要承受水平荷載,包括地震作用、船舶撞擊荷載、波浪作用等。

2.1 抗震性能

目前,典型海岸工程混凝土結構的抗震性能研究主要集中在裝配式高樁碼頭。由于板樁碼頭的抗震性能相對較好,因此該結構的震損資料及相應的抗震性能研究也較少。而樁基透空式防波堤是近年來發展起來的新型裝配式海岸工程混凝土結構,其抗震性能的研究尚屬空白。以下將重點介紹裝配式高樁碼頭抗震性能的研究現狀。

裝配式高樁碼頭的抗震性能主要取決于節點的連接方式,尤其是樁節點的連接方式。朱海堂等[7]對插入式樁節點開展了抗彎性能試驗研究,研究表明,該類樁節點的承載力與樁身插入深度相關。Roeder等[8]研究了不同鋼筋連接方式對樁節點抗震性能的研究,研究表明,采用彎折筋錨固或螺旋筋約束鋼筋錨固的樁節點的抗震性能可“等同現澆”。近年來,國內學者提出了采用超高性能混凝土作為灌漿材料的承插式灌漿連接節點,試驗結果表明該類節點抗震性能優良[9-10]。

國內外震害表明,高樁碼頭的震損位置多出現在樁節點,難以修復。在阪神地震后,日本學者即開始研究樁節點的半剛性對碼頭抗震性能的影響,研發了可調節節點剛度的承插式樁節點連接方式。研究表明,通過降低節點剛度,可降低地震力并優化結構內力分布[11]。但總體而言,有關半剛性的裝配式碼頭抗震性能的研究仍有待進一步開展。

2.2 抗撞擊性能

碼頭在服役期間極易受到船舶撞擊,國內外有關船舶撞擊作用下碼頭結構動力響應的研究表明,碼頭受到船舶撞擊后的動力響應與結構體系、節點剛度等因素相關。由于板樁碼頭后方土體具有吸能作用,且結構整體剛度大,碼頭的抗撞擊能力較強[12-13]。高樁碼頭節點剛度大,且上部結構質量大,當撞擊力過大時,結構的破壞易集中在樁節點附近[14-15]。針對這一問題,有必要開展半剛性裝配式高樁碼頭抗撞擊性能研究。

2.3 抗浪性能

海岸工程混凝土結構在波浪作用下的動力響應主要與結構類型和水文條件有關。一般而言,碼頭處于有防波堤掩護的港區內,水域平穩、波浪作用相對較小,結構動力響應問題并不突出。波浪作用下,樁基透空式防波堤的動力響應較突出,且存在波浪與結構的耦合作用,這一方面是由于波浪流場會引起樁基基頻降低及結構阻尼比增大[16],如設計不當將發生共振[17];另一方面,結構響應會擾動其周圍水體,改變結構的波浪荷載,即形成流固耦合作用。研究表明[18],流固耦合作用會放大樁基透空式防波堤的基樁最大位移與應力,其響應受結構剛度影響顯著[19]。目前,海岸工程混凝土結構的流固耦合問題仍是國內外研究難點,而有關裝配式海岸工程混凝土結構的研究尚屬空白。

3 相關技術標準

英國頒布的BS 6349-1—1988《Maritime Structures-Part 1: Code of Practice for General Criteria》是較早涵蓋碼頭和防波堤2類海岸工程混凝土結構的技術標準。隨后,美國、澳大利亞、日本、中國等國相繼頒布了相關技術標準(見表1),上述標準中有關裝配式海岸工程混凝土結構的設計方法與裝配式連接方式的異同點總結如下。

表1 海岸工程混凝土結構的國內外技術標準

1)國內外標準均給出裝配式海岸工程混凝土結構的預制構件類型,主要包括預制樁、疊合梁、疊合板、預制板等。我國相關標準給出了具體的裝配式連接方法與節點構造,主要包括現澆梁和疊合板的連接方式、疊合板拼縫構造及樁節點構造等。需要指出的是,與裝配式建筑結構相比[20-21],目前海岸工程混凝土結構的裝配式連接方式較單一。

2)各國標準均給出裝配式海岸工程混凝土結構的抗震設計方法。美國的ASCE/COPRI 61-14詳細介紹了基于位移的抗震設計方法,而包括我國在內的其他國家則仍采用基于力的抗震設計方法。

3)國內外標準中有關撞擊力和波浪力的計算方法存在差異,但總體上均采用等效靜力法計算結構內力,且均未考慮裝配式連接方式對結構動力響應的影響。

總體而言,國內外尚未系統形成裝配式海岸工程混凝土結構的標準體系。

4 典型工程應用

目前,國內外已建成多個高預制率的裝配式海岸工程混凝土結構,典型案例如表2所示,其中多為高樁碼頭,均由預制樁和全部或部分預制梁、疊合板通過濕連接方式形成整體。典型案例包括:美國Locke公司承建的某LNG碼頭和英國倫敦的Oikos深水碼頭,其樁、橫梁、面板均為預制構件;印度尼西亞的沙璜碼頭則采用預制樁與預制樁帽、U形模殼橫梁和疊合面板形成整體的裝配式方案,該方案顯著減小了預制構件自重,施工速度顯著提升;連云港市徐圩港區六港池虹洋港儲運碼頭是我國首個全裝配式高樁碼頭,上部結構的橫梁和面板均采用了預制構件,預制率達到80%以上。

表2 高預制率裝配式海岸工程混凝土結構典型案例

相比而言,裝配式防波堤的工程案例較少。印度尼西亞馬拉哈亞蒂港防波堤是典型的裝配式樁基透空式防波堤,該結構的樁、樁帽、橫梁、擋浪板、面板均為預制構件。在我國,裝配式樁基透空式防波堤的工程案例尚屬空白,已有的裝配式防波堤工程均為斜坡式,如南通港洋口港區防波堤采用了全FRP筋預制混凝土柵欄板,上海橫沙東灘圈圍工程則采用了預制混凝土防浪墻。

總體上,裝配式高樁碼頭在國內外已有一定應用,而裝配式板樁碼頭和防波堤的應用仍較少,裝配式海岸工程混凝土結構的應用才剛剛起步。

5 結語

總結了3類典型的裝配式海岸工程混凝土結構(高樁碼頭、板樁碼頭、樁基透空式防波堤)的特點,綜述了國內外有關這3類結構在地震、撞擊和波浪等作用下力學性能的研究進展,對國內外技術標準進行了對比分析,并介紹了典型裝配式海岸工程混凝土結構的應用現狀。

總體而言,裝配式技術在海岸工程混凝土結構領域的研究與應用起步較晚。因此,有必要研發兼顧海洋環境施工效率與受力性能要求的裝配式結構體系與高效連接方式,提出新型裝配式海岸工程混凝土結構的設計方法,制定相應的應用技術標準與圖集,推動裝配式技術在海岸工程混凝土結構領域的規模化應用。