百米長度分段的胸墻結構在板樁碼頭中的應用

文 濤，李春陽，劉 洋，楊 旭

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

板樁碼頭是碼頭三大結構形式之一，其結構主要由板樁墻、拉桿、錨碇結構、導梁及帽梁等組成，當潮差不大時可以將導梁及帽梁合并為胸墻[1]。板樁碼頭配備軌道裝卸機械時，海側軌道一般安裝在樁基支撐的軌道梁上，軌道梁與胸墻分開布置，胸墻尺寸較小。隨著板樁碼頭大型化的發展，由鋼管樁、鋼板樁組合而成的管板組合板樁得到廣泛應用，該結構中鋼板樁與鋼管樁交錯布置，板樁墻的抗彎、抗壓能力都得到顯著提高[2]，海側軌道梁可以利用板樁墻作為基礎，不必單獨設置樁基，因此軌道梁進一步與胸墻合并，合并后的胸墻集成了常規板樁碼頭的導梁、帽梁及軌道梁3種功能，結構設計要求較高。

對于常規板樁碼頭，板樁墻斷面類型單一，胸墻分縫主要考慮與系船柱間距相適應，變形縫通常設置在板樁接縫處，變形縫間距一般采用15～30 m。管板組合板樁碼頭中，板樁墻由鋼板樁與鋼管樁交錯布置，變形縫的設置既要考慮鋼板樁與鋼管樁的間距，又要考慮其與系船柱間距相適應，因此相鄰變形縫往往需要更大的間距。更為重要的是，為保證板樁碼頭結構具有良好的整體性、減少胸墻結構差異沉降或變形、解決結構縫處鋼軌的破壞問題，并降低營運期的維護成本，在胸墻設計中希望盡可能采用長分段設計方案，分段長度往往遠大于規范的30 m上限長度。

本文分析超長分段胸墻的結構受力特點，并將分析成果運用于廣州港南沙四期板樁碼頭工程，成功采用百米長度分段的胸墻結構，分析成果及應用經驗可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

廣州港南沙港區四期碼頭工程主要建設2個10萬噸級集裝箱泊位和2個5萬噸級集裝箱泊位，該段碼頭岸線總長1 460 m，碼頭結構均按靠泊10萬噸級集裝箱船設計，設計底高程為-16.0 m。碼頭結構采用管板組合板樁結構(圖1)，前墻采用φ2 032 mm鋼管樁與Z型鋼板樁組合。組合板樁上部結構為現澆C40鋼筋混凝土胸墻，胸墻寬5.0 m、高3.7 m，拉桿間距3.35 m。板樁后根據地質情況進行水泥土攪拌樁二次加固處理，墻后1.0 m以上回填泡沫輕質土。

圖1 南沙港區四期碼頭典型斷面(高程：m；尺寸：mm)

碼頭前沿設置2條軌道，軌距35 m，采用QU120鋼軌，前軌直接鋪設在胸墻上，后軌鋪設于軌道梁上。海側軌中心距碼頭前沿線3.5 m，基距15.2 m，支腿4個，8個輪/支腿，平均輪距1.328 m，工作狀態下最大輪壓920 kN，非工作狀態下最大輪壓1 470 kN，兩機聯合作業時的最小間距為1.5 m。碼頭采用SC1250H標準反力型橡膠護舷，前沿布置1 500 kN系船柱。

南沙港區位于伶仃洋水域，當地多年平均氣溫22.0 ℃，極端最高氣溫38.2 ℃，極端最低氣溫-0.5 ℃。各月的平均相對濕度在71%～85%，多年平均相對濕度為 80%，相對濕度最小為冬季，歷年最小為5%。

2 胸墻荷載分析

本項目胸墻高3.7 m、寬5 m，集成了常規板樁碼頭中導梁、帽梁及軌道梁三者功能，受到多種荷載共同作用：水平方向受到船舶荷載及墻后土壓力作用、豎直方向主要受到門機荷載作用、軸線方向主要受到溫度及混凝土收縮作用。胸墻以板樁墻作為連續支撐，水平及豎直方向內力均較小，胸墻斷面綜合考慮軌道位置、管溝尺寸、鋼管樁尺寸等因素，導致斷面尺寸較大，因此常規荷載對胸墻的內力影響較小。胸墻采用超長分段后，混凝土的熱脹冷縮、收縮、徐變等溫度效應放大，引起較大的內力及裂縫，本文對此進行重點討論。

2.1 環境溫度應力

混凝土所處環境的溫度變化會引起混凝土的熱脹冷縮變形，由于混凝土變形受到結構的約束作用，導致產生了環境溫度應力。水運工程規范未對環境溫度計算作出詳細規定，根據楊銘元等[3]對超長無分縫高樁碼頭結構溫度效應的計算分析，混凝土梁及樁基結構中均勻溫差對構件內力變化起控制作用，梯度溫差作用可忽略不計。本文只考均勻溫差作用，依據GB 5009—2012《建筑結構荷載規范》[4]考慮以下工況：

1)均勻溫度作用分為結構最大溫升工況和結構最大溫降工況。

2)結構最大溫升工況下，溫度作用標準值為：

ΔTk=Ts，max-T0，min

(1)

式中：Ts，max為結構最高平均溫度，按氣溫最高月平均溫度取值，根據GB 5009—2012取36 ℃；T0，min為結構最低初始平均溫度，按氣溫最高月平均溫度取值，根據GB 5009—2012取6 ℃。溫度作用標準值ΔTk為30 ℃。

3)結構最大溫降工況下，溫度作用標準值為：

ΔTk=Ts，min-T0，max

(2)

式中：Ts，min為結構最低平均溫度，按氣溫最低月平均溫度取值，根據GB 5009—2012取6 ℃；T0，max為結構最高初始平均溫度，按氣溫最高月平均溫度取值，根據GB 5009—2012取36 ℃。溫度作用標準值ΔTk為-30 ℃。

2.2 混凝土收縮應力

收縮是混凝土材料固有的特性，也是引起混凝土開裂的主要原因之一，一般混凝土澆筑后10～30 d內完成的收縮量占總收縮量的15%～25%，90 d一般完成60%～80%，1 a后完成95%左右[5]?；炷潦湛s的影響因素有很多，主要為水泥的品種和用量、骨料、水灰比、空氣溫度、養護條件、鋼筋用量等?；炷潦湛s將在超靜定結構中產生收縮應力，因此在對超靜定結構進行設計計算時，通常將混凝土的收縮量等價轉換為溫度的降低值，稱為混凝土收縮當量溫差。目前國內外對于混凝土收縮計算沒有統一的方法，國內規范主要采用王鐵夢[6]提出的收縮模型以及歐洲混凝土規范模型[7]，水運工程規范未明確如何計算混凝土收縮。本文按GB 50496—2018規范[8]計算，該方法基于王鐵夢的收縮模型，混凝土收縮的相對變形值按下式計算：

(3)

混凝土收縮相對變形值的當量溫度可按下式計算：

Ty(t)=εy(t/α

(4)

式中：Ty(t)表示齡期為t時混凝土的收縮當量溫度；α為混凝土的線膨脹系數，取1.0×10-5。根據公式，計算得到混凝土的收縮當量溫度為-31 ℃。

2.3 溫差計算值

由于混凝土的收縮變形一直存在，溫升時的變形與收縮變形有抵消作用，因此只考慮溫降時的作用，溫差計算值為環境溫差與收縮當量溫差之和，本工程取61 ℃。

3 胸墻內力分析

3.1 建立有限元模型

根據本工程胸墻的特點，建立有限元模型時采用梁單元模擬胸墻，考慮到鋼板樁剛度小，忽略鋼板樁作用，胸墻僅考慮鋼管樁支撐，樁土之間的相互作用采用線性彈簧模擬，彈簧剛度按m法取值。

常規板樁項目僅計算垂直于碼頭方向的樁土作用，計算比較成熟，平行于碼頭方向的樁土作用缺少研究，本工程為管板組合板樁，其特殊的構造導致平行于碼頭方向的樁土作用復雜：1)樁基受力狀態與普通樁基差異很大。本工程鋼管樁的中心距只有1.5倍樁徑，并且只有一半在土中，相鄰鋼管樁與板樁將墻后填土分割，鋼管樁之間的土體形成三面約束狀態，其應力分布與普通板樁的墻后土體相差較大，更有別于普通樁基，土層深度對土體應力的影響減弱。2)墻后軟土采用水泥攪拌樁處理，但施工時鋼管樁周邊的土體難以全面覆蓋，鋼管樁周邊仍存在一定厚度的軟土。3)鋼板樁與鋼管樁之間采用鎖口連接，鋼管樁間距變小時兩者之間的連接作用反而變小，胸墻發生收縮變形后，鋼管樁間距變小，鋼板樁會向海側變形，相鄰鋼管樁之間的擠土作用會隨著鋼板樁的變形而減弱，甚至抵消。

根據以上分析，平行于碼頭方向鋼管樁與土體之間的相互作用較小，建模時未考慮港池泥面以上的樁土作用。為研究不同分段長度對結構的影響，分別建立長度為30、50、77、100 m的4種胸墻模型。

3.2 結果分析

100 m長分段胸墻的計算結果見圖2、3，圖2為胸墻軸心拉力，呈拋物線分布，中間大兩邊小，最大軸心拉力為2 580 kN；圖3為鋼管樁彎矩，分段中部彎矩小兩側彎矩大，鋼管樁的最大彎矩為4 340 kN·m。

圖2 胸墻軸心拉力結果

圖3 鋼管樁彎矩結果

不同分段長度的計算結果見表1，由表1結果可見，百米分段胸墻結構的內力遠大于普通的30 m分段結果，拉力相差12倍之多；分段長度由小增大時，胸墻位移呈線性增大趨勢，內力(胸墻軸力及樁頂彎矩)均呈非線性增大趨勢，分段長度越大內力增加越快。

表1 不同胸墻分段長度的內力及位移結果

需要注意的是，本工程計算時未考慮混凝土徐變影響，胸墻在徐變的長期作用下最大軸心拉力將減小，因此本工程的計算結果偏于保守。

4 項目實施情況

為保證胸墻混凝土耐久性、減少表面裂縫，在胸墻混凝土中添加海港型抗腐蝕增強劑，摻量為36 kg/m3；表層的混凝土中添加聚乙烯醇抗裂纖維，摻量為0.9 kg/m3；抗裂纖維抗拉強度要求大于270 MPa；公稱長度6～40 mm。施工時采用分段澆筑，分段長度為20～30 m。超長混凝土結構常采用后澆帶技術解決混凝土收縮問題[9]，本工程考慮到海水潮位影響及項目工期緊張等因素未予采用。

目前碼頭已經建成并運營超過1 a，胸墻表面裂縫較少，未發現通長裂縫，百米分段胸墻在板樁碼頭上得到成功運用。

5 結語

1)隨著板樁碼頭大型化發展，碼頭胸墻往往需要采用大于規范上限的分段長度，廣州港南沙四期板樁碼頭工程成功采用了百米長度分段的胸墻結構，其分析成果及應用經驗可為類似工程提供借鑒。

2)采用超長結構分段將導致混凝土的熱脹冷縮、收縮、徐變等溫度效應放大，百米分段胸墻的結構內力遠大于普通項目，胸墻分段長度增大后位移呈線性變大趨勢、內力呈非線性變大趨勢，分段長度越長內力增加越快。

3)考慮到管板組合板樁的特殊構造以及本工程地基處理的實際情況，在平行于碼頭方向鋼管樁與土體之間的相互作用較小，因此計算時忽略了港池泥面以上的樁土作用，該簡化具有特殊性，不一定適合其它工程。平行于碼頭方向的樁土作用影響胸墻的收縮應力，現有研究并未涉及該領域，有待進一步研究分析。