同时具有板桩和重力式结构的码头改造升级

刘崇期 胡涛 郝俊宇

摘 要：本文基于工程实例，考虑码头荷载变化和功能要求，结合码头原有的结构设计方案，针对同时具有板桩结构和重力式结构的码头提出了改造方案。改造方案提升了码头的靠泊能力和结构承载能力，满足泊位装卸要求和港口营运需求。并利用ANSYS软件，对结构进行分析。结果表明，改造方案在设计荷载作用下，满足安全使用要求，可为今后类似工程提供参考。

关键词：板桩结构;重力式结构;改造方案;靠泊能力;结构承载能力

中图分类号：U656.1        文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）11-0080-04

近年来，随着港口业务的拓展以及船舶大型化和专业化的发展，大宗货船的数量和比例在海运船队中不断增加，载重吨位不断提高。原有旧码头泊位难以适应船舶大型化的发展需求，拆除重建造价太高。相对来说，对原有码头结构进行加固、升级，提高泊位的营运能力和结构的承载能力，满足港口运营的需求，这一途径所需的费用相对较少，可以通过较小的投入获得较大的回报。

目前，国内对码头改造的案例较多，但尚未有针对码头改造统一的技术标准，也缺乏全面、系统的研究，对同一码头多种结构型式的码头改造研究更少。边树涛[1]结合工程实例，对几种不同特点的重力式码头改造方案进行了分析归纳，总结各类重力式码头改造的特点;冯光华[2]针对具体工程，总结了重力式码头前沿PHC桩沉桩对码头位移的影响;孟晓宁[3]对高桩码头改造常用的方法进行了分析，总结了每种方法的优缺点;蒋国栋[4]结合工程实际，分析了前板桩后低桩承台结构改造设计的技术要点和注意事项;张志明[5]搜集国内海港加固改造工程资料，系统地研究了不同类型码头改造加固方法以及改造中的检测关键技术;顾海宽[6]对国内改造工程进行了调研和分析，形成了比较完善的码头改造加固技术和方法体系。

本文基于实际工程，针对同时具有重力式和板桩结构型式的码头进行改造升级，使其满足现有功能要求。

1工程概况

原码头设计主要用于从事客运、水上观光及游艇等服务，建设规模为6个工作船泊位，3个500GT旅游泊位和208个游艇泊位。随着东莞港的发展走向变化以及水上观光旅游市场的转移变化，水上观光及游艇业向南沙、珠海、香港等地区发展，在东莞市建设大型游艇基地及观光旅游码头不能适应市场需求，与东莞港的发展定位不符，与东莞市乃至整个珠三角的社会经济发展水平和货物运输需求不适应，为适应《东莞总体发展规划（2020-2035）》要求，缓解东莞港散杂货通过能力不足，现需将码头中工作船泊位改造为通用散杂货泊位。工作船泊位岸线长200m，共6个泊位。为与右侧集装箱码头顺利衔接，码头在靠近集装箱码头一侧采用重力式结构，与集装箱码头结构型式保持一致，长度为74.7m，另一侧采用板桩结构，长度为125.3m，码头泊位布置如图1所示。

板桩结构采用前板桩+后桩的高桩承台结构，桩基采用φ1200mm灌注桩，桩体不间断布置，桩间距1.6m，为防止墙后土体流失，前排桩后连续施打φ700mm搅拌桩;后排桩也采用φ1200mm灌注桩，桩间距3.0m。桩顶现浇胸墙，将结构连成整体。桩基进入强风化岩，港池底标高为-4.70m。重力式为沉箱结构，基床采用10～100kg块石，基床上安装沉箱，沉箱内回填中粗砂，后方抛填中粗砂，沉箱顶部现浇胸墙。沉箱之间采用对接，对接缝间设置倒滤腔。重力式结构段港池底标高为-8.70m，两结构段港池底标高按1：4放坡连接。

2 改造要求

本次改造将500吨级工作船泊位改造为一个5000吨级通用泊位，可停靠一艘5000吨级散杂货船或同时停靠1艘3000吨级散货船和1艘1000吨级的干货船，用作海砂（原料）及件杂货装卸泊位，泊位布置图如下图4所示。

本次升级改造将原客运泊位改造为5000吨级杂散货码头，结构按10000吨级杂散货码头设计，升级改造过程中主要面临以下几个难点。

（1）码头具有两种结构型式，不同的结构型式改造方案不一致。

（2）根据《海港总体设计规范》（JTS165-2013）[7]条文规定，为满足10000吨级杂散货停泊要求，板桩结构段码头前沿水域设计底标高需由-4.70m浚深至-9.50m，导致后方永久土压力作用增大，增大桩基的弯矩值;重力式段基床设计底标高由-8.70m浚深至-9.50m，开挖基床会影响上部结构的稳定性。

（3）现有装卸工艺不能满足要求，码头前沿需设置装卸设备，增加水平运输机械以及后方堆场作业设备，以满足泊位装卸要求。

（4）现有码头附属设施如系船柱、橡胶护舷不满足要求，需升级，以满足船舶停靠和系泊要求，升级后码头所受船舶荷载增大。

3 升级改造方案

3.1 装卸工艺方案

根据工程的建设规模、到港船型及货运量、货种性质等，进行装卸工艺设计。装卸作业设备采用2台门机起重机，轨距10.5m，轮压350kN，共4个支腿，每个支腿4个轮子，轨距765mm，前轨距码头前沿线距离3.0m。水平运输设备采用带式输送机，部分海沙水平运输设备采用载重汽车;件杂货水平运输采用牵引平板车。散货堆场设备采用单斗装载机，件杂货堆场装卸作业采用轮胎吊和抓料机。

3.2 码头附属设施改造

根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）[8]，现有系船柱、橡胶护舷等码头附属设施不能满足规范要求，需拆除重新安装。按照规范计算，系船柱型号选用450KN，橡胶护舷采用DA-A600H x 1500标準反力型，设计压缩变形52.5%，反力971KN。

3.3 港池底标高浚深

原码头板桩结构段港池底标高为-4.7m，重力式结构段港池底标高为-8.70m，为满足10000吨级杂散货码头安全停泊要求，现需将港池底标高浚深至-9.50m。

3.4 结构改造方案

码头改造在保持原有结构稳定的基础上，通过对结构进行局部加强，以满足荷载以及工艺要求。本次结构方案改造将结合码头原有的设计方案、改建规模、使用功能及荷载变化等特点，在满足安全使用条件下尽量减少投资。

板桩结构段改造，砸除胸墙表面混凝土，扩大胸墙上部宽度，作为海侧轨道的基础，扩大段通过植筋与原胸墙相连;码头后方新建L型梁作为陆侧轨道梁，并通过植筋与原胸墙结构整体现浇一起。轨道梁下方设置连排灌注桩，桩径1.2m，桩间距1.6m，桩基进入强风化岩，桩后设置两排ø700mm搅拌桩，用于挡土，具体方案详见图5。

重力式结构段砸除胸墙表面混凝土，扩大胸墙上部宽度，现浇海侧轨道基础;后方新建L型轨道梁，轨道梁坐于沉箱后壁上。挖除部分基床至-9.5m，并对基床局部进行压力灌浆加固处理，为防止冲刷，基床表面安装栅栏板，同时在坡脚处抛填10～100kg块石进行反压，具体方案详见图6。

4 结构计算

码头荷载包括永久荷载和可变荷载。永久荷载主要为结构自重和永久作用主动土压力;可变荷载为码头前沿均布荷载30kpa、后方堆场均布荷载60kpa（距离码头后方轨道6m范围内不堆载）、装卸机械荷载-门机荷载、流动机械荷载-30t轮胎吊和40t平板挂车。

本文基于ANSYS软件建立改造后有限元模型，模型计算中采用了三種单元进行模拟。其中，上部胸墙采用SOLID45实体单元，桩基采用BEAM188梁单元，桩土之间作用采用COMBIN14弹簧单元。墩台与桩基之间连接方式为固接，墩台网格大小为1.0m，桩基网格大小为0.50m，模型共1912个单元。后方永久主动土压力以及堆载产生的土压力大小分布根据《码头结构设计规范》（JTS67-2018）[9]计算，然后乘以相应分项系数加载到墩台侧面和桩基上。模型如下所示。

根据计算结果，桩基内力控制荷载组合为自重+系缆力+后方均布荷载。灌注桩弯矩设计值和压桩力设计值通过ANSYS导出，灌注桩极限抗压承载力设计值和抗拔极限承载力设计值根据《码头结构设计规范》（JTS167-2018）相关公式计算，计算结果如下表1所示。

5 结语

原码头同时具有板桩结构和重力式结构，单一结构改造相对简单，同时对具有两种结构的码头进行升级改造并使其满足工艺及荷载受力要求，改造难度较大，改造案例少，没有成功经验可寻。本文对现有的码头结构，新的功能需求提出了改造方案，并通过ANSYS软件对结构进行计算，改造方案主要特点：

（1）方案同时兼顾了板桩结构和重力式结构改造的特点，并将二者统一结合，满足了装卸工艺和船舶停靠等要求。

（2）板桩结构改造方案后方轨道梁桩基既是轨道梁的基础，又兼具挡墙功能。

（3）改造方案对原设计结构改动小，新建结构与原有结构通过植筋连接，最大化利用原有结构，节省投资。

（4）改造方案充分考虑施工可行性和便利性，方案施工工序少，主要工序为灌注桩沉桩，相比于水上施工，陆上沉桩相对容易，受风浪影响较小，工期短。

参考文献：

[1] 边树涛，宓宝勇.重力式码头结构加固改造设计探讨[J].中国港湾建设，2014（08）：23-26.

[2]冯光华，刘志威.重力式老码头前沿PHC桩沉桩施工的影响[J].水运工程，2021（03）：202-207.

[3] 孟晓宁，边树涛.高桩码头结构加固改造常用方案[J].水运工程，2015（04）：120-125.

[4]蒋国栋，张颖，罗天一.前板桩后低桩承台结构在板桩码头改造中的应用[J].水运工程，2016（07）：46-50+53.

[5] 张志明， 海港码头结构物加固和升级改造关键技术研究. 北京市，中交水运规划设计院有限公司，2015-08-27.

[6] 顾宽海，李增光，程泽坤，赵研.码头结构加固改造方法和施工技术[J].水运工程，2016（06）：174-182.

[7] 中交水运规划设计院有限公司.海港总体设计规范：JTS165-201：[S].北京：人民交通出版社，2014.

[8] 中交第一航务工程勘察设计院有限公司.港口工程荷载规范：JTS144-1-2010.北京.人民交通出版社，2010.

[9] 中交第一航务工程勘察设计院有限公司.码头结构设计规范：JTS167-2018.北京.人民交通出版社有限公司.2018.