某海洋重工产品出运码头结构的设计与施工

吴爱清，程 凯，宋成涛

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071）

随着陆地石油资源的日趋匮乏，向海洋进军，已经成为国际性石油巨头的共识和发展重点，海洋工程装备的生产及海洋重工基地的建设具有广阔的发展前景。目前海洋工程装备主要在海洋重工基地后方的陆域场地上进行分段拼装，然后在出运滑道上进行总装，通过码头出运。由于本工程海洋重工产品重量最大近2万吨，通过滑道出运时，滑道承载区的均布荷载将达到100 t/m2左右，远大于普通码头的均布荷载，这对码头结构整体和上部结构的垂直承载能力提出了较高的要求。目前大多数滑道出运码头采用出运滑道（墩台结构）与舾装码头（高桩梁板结构）相组合的结构方式，其结构型式复杂，结构整体性及变形协调能力一般。本工程结合海洋重工产品出运工艺和荷载特点，采用了滑道与码头结构形成一体的整体墩台结构方案。本文针对上述整体墩台结构方案，对出运码头结构桩基布置、结构整体内力计算、墩台配筋设计以及高桩墩台施工的特点进行了分析论述。

1 工程概述

宏华海洋启东制造基地一期工程为整个基地的起步工程，岸线总长792 m，主要包括材料码头泊位1个、舾装码头泊位3 个、出运码头泊位1 个。一期工程主要生产的海洋工程装备为400 英尺自升式平台，重16 500 t，长76 m，宽70 m，其出运通道位于岸线的的中部，由前方出运码头及后缘紧邻的一组陆域滑道组成，出运码头长51 m，宽22 m。工程总平面布置如图1 所示。

图1 工程总平面布置图Fig.1 General layout of engineering project

1.1 水文

（1）设计水位。根据工程附近多年实测潮位资料计算得本工程设计水文如下：

设计高水位：2.60 m；设计低水位：-1.88 m；极端高水位：4.29 m；极端低水位：-2.85 m。

（2）潮汐。本工程地处长江口北支，呈不规则半日潮，潮周期平均为12 h 25 min，受北支河道形态影响，潮波变形较为剧烈。

1.2 地质

工程区域内钻探揭示地层主要由人工填土（Q4 ml）、全新统（Q4 m）及晚更新统（Q3 al）地层组成，其中晚更新统（Q3 al）（图示第7 大单元及以下土层）揭示厚度20～35 m，以砂夹土或土夹砂层状土、粉细砂为主，可作为本工程港工结构的桩端持力层。工程地质典型断面图如图2 所示。

图2 工程地质典型断面图

1.3 工艺荷载

根据本工程海洋工程设备的出运工艺，本工程陆域共布置4 条滑道，其中中间两条主滑道，主滑道两边各布置两条副滑道。出运码头滑移区域布置如图3所示，2#、3#滑移区（对应陆域主滑道）线荷载为1 950 kN/m，工艺承载区为7 m；1#、4#滑移区（对应陆域副滑道）线荷载900 kN/m，工艺承载区域为4 m。

滑道出运过程中，出运船舶上的摇臂与出运滑道上的滑块组相互顶接，形成一个完整的运输通道。海工产品出运过程中作用于滑块组上的摩擦力与船舶摇臂对滑块组的水平推力相互平衡，因此出运滑道码头结构在海工产品出运过程中不承受水平力［1］。海工产品出运流程及受力分析图4。

图3 出运码头滑移区布置图Fig.3 Slip zone layout of shipment wharf

图4 海工产品出运流程及受力分析图Fig.4 Offshore platforms shipment process and force analysis

2 码头结构设计

2.1 结构方案设计要点

海洋重工出运码头与普通码头的区别在于除了承受一般码头的荷载作用之外，还需承受垂直于码头前沿线的滑移出运荷载。在海洋重工产品出运过程中，滑移区上首先布置滑块，滑块和产品之间放置滑靴以减小摩擦力，产品自重通过滑靴和滑块作用传递至滑道板上。海洋重工产品一般为不定型的钢结构，其尺寸多样及自重均较大，滑移区荷载具有比一般码头荷载大且荷载作用平面位置不固定等特点。针对这种荷载的特性，并结合出运码头的功能要求，本工程采用滑道与出运码头形成一体的整体墩式结构，其结构形式简洁，结构整体性好，对后期使用过程中的各种工况组合作用情况下的适应能力强。

本工程滑道出运码头长约51 m，由2 个25.5 m×22 m 的整体式墩台组成，墩台厚度2 m。由于码头前沿需要进行系靠泊作业，墩台结构受力较为复杂，且适当降低墩台低高程有利于靠船构件的受力，故在前沿码头前沿一定的范围内增加墩台厚度至3.2 m，中间采用倒角过渡。出运码头结构典型断面如图5 所示。

出运码头在承受竖线滑道荷载的同时还承受船舶荷载、水流力、地震力等水平力的作用，桩基布置应考虑垂直荷载分区、较好的结构水平抗力以及沉桩施工可行性等要求。由于滑道荷载较大，采用桩距较小的桩基布置设计，纵向排距为3 m，横向排距为2.5 m。由于出运码头前方区域荷载较大，且由于受安装靠船构件的要求导致悬臂较长，在码头前方布置了两排Φ1 000 PHC 桩；同时为了提高结构整体的抗水平能力及抗震性能，墩台后部布置了部分斜桩。为了满足打桩船施工平面布置及避免碰桩的要求，后部桩基斜度为10：1 与12：1 两种较陡的规格。出运码头桩位布置如图6 所示。

图5 出运码头结构典型断面图Fig.5 Typical structure profile of shipment wharf

图6 出运码头桩位布置图Fig.6 Pile arrangement of shipment wharf

2.2 结构计算

滑道出运码头结构采用通用有限元方法进行计算，按照三维空间结构有限元的一般方法，建立有限元模型，离散结构单元、施加节点约束及单元荷载，计算各构件的内力和变形。根据结构自身的受力特征及各种模型模拟的优缺点，对桩基及墩台采用不同的模型进行模拟［2］。

桩基结构采用具有6 个自由度的杆件单元进行模拟，桩基与墩台的连接通过对杆端约束的限制以实现“固接”与“铰接”的型式；土的水平抗力系数根据《港口工程桩基规范》中的“m法”计算出弹簧的弹性系数施加到杆件单元上［3］；桩身竖向约束根据《高桩码头设计与施工规范》中的有关公式按摩擦桩计算出桩的轴向刚性系数K，施加到桩基假想嵌固点处。

墩台结构由于受力情况复杂，采用实体模型进行模拟，根据实体单元的应力计算出墩台的弯矩及剪力。由于滑移荷载的组合型式非常多，而实体单元的计算速度及后期处理相对较为复杂，在计算过程中可先采用板壳单元加以模拟，通过初步计算找出最不利的工况组合，然后再针对工况组合进行实体建模计算，可有效的提高计算效率。出运码头计算模型如图7 所示。

通过对作用在码头结构上的各种荷载不利工况组合计算，分别找出针对桩基轴力、弯矩及墩台长边最大正、负弯矩，短边最大正、负弯矩。码头结构内力如表1 所示。

由计算结果可以看出：出运码头前沿布置的两排Φ1000PHC管桩的轴力及弯矩较大，后方Φ800PHC 管桩的轴力相对较小，桩基的内力分配较为协调，出运码头整体的桩基布置方案是合理的；由于码头结构在短边方向承受较大的海工产品出运过程中的带状垂直荷载，承台短边弯矩大于长边弯矩，墩台结构的配筋方案中，可有针对性的进行设计。

图7 出运码头计算模型图Fig.7 Calculation model of shipment wharf

2.3 墩台配筋

《水运工程混凝土设计规范》（JTS151-2011）中，仅对大体积混凝土受弯构件和刚性墩台的“纵向受力钢筋最小配筋率”进行了规定［4］，而墩台的配筋计算方法和计算规定并未给出说明。在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中根据外排桩中心距墩台边缘的距离与承台高度的比较，提供了按“梁式体系”与“撑杆-系杆”两种墩台配筋的计算方法［5］，但桥梁墩台荷载相对单一，且位置是固定的。

本工程墩台结构受到较大的竖向荷载及水平荷载作用，且所受的水平荷载及竖向荷载复杂、位置不固定，上述方法均不适合于本工程的墩台配筋计算。在《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）中明确指出“跨高比L0 /h＜5 的钢筋混凝土深梁、短梁和厚板应按深受弯构件设计”［6］，本工程墩台结构属于厚板的范畴，参照本规范按深受弯构件进行配筋设计。

表1 码头结构内力计算结果表Tab.1 Calculation results of wharf structure internal force

根据墩台结构内力计算结果按照规范要求进行墩台配筋计算，墩台配筋设计如下：对于3.2 m 厚度墩台长边方向顶面和底面均采用Φ20HRB335 级钢，间距150 mm 的双层钢筋，短边方向顶面和底面均采用Φ28HRB400 级钢，间距110 mm 的双层钢筋；对于2 m厚度墩台长边方向顶面和底面均采用Φ20 HRB335 级钢，间距150 mm 的双层钢筋，短边方向底面采用Φ28 HRB400 级钢，间距150 mm 的双层钢筋、顶面采用Φ25 HRB400 级钢，间距150 mm 的双层钢筋。

针对墩台结构所承受的荷载特性，采用了不同于《水运工程混凝土设计规范》（JTS151-2011）中所述的墩台配筋方案，并将墩台的长边和短边配筋分别进行设计，在确保结构受力要求的同时，做到了工程投资的优化处理。

3 高桩墩台施工要点

本工程出运码头高桩墩台的施工由于受到水文、空间的限制，施工技术要求较高，施工难度较大，主要具有以下几个特点：

（1）滑道出运码头位于整个码头的中部，且后方紧邻陆域滑道及装焊平台，施工空间狭小，为滑道墩台底部的模板承重系统的施工带来困难。

（2）本工程区域潮汐现象十分明显，每日实际高潮位约2.9 m、低潮位约-1.9 m，而滑道出运码头结构的墩台底标高为1.6 m。在每日涨落潮过程，墩台底模要承受较大的浮托力大，底模系统容易遭到破坏。

（3）由于墩台尺寸及厚度均较大，墩台的自重对承重系统的要求十分高，为了保证工程施工过程中不出现脱模、跑模的现象，需采取分层浇筑的方式进行施工。

3.1 墩台模板承重系统设计

墩台模板承重系统的设计合理性是工程施工是否能够顺利开展的关键技术［7］，其设计主要遵循以下几点原则：

（1）施工节奏立足于“抢”，施工环节立足于“快”，趁低潮施工下节点；

（2）为了避免模板结构全闭合后承重系统也无法拆除的问题，采取先完成墩台主体浇筑，预留钢筋及浇筑缺口，后安装靠船构件的方式解决；

（3）由于桩基间距小、墩台自重大，大型船机设备无法进入，承重系统基本靠人工搭建及拆除，在满足分层浇筑砼受力的情况下，其结构必须简洁、轻便。

3.2 混凝土分层施工

从墩台结构的特点及承重系统的承载能力等方面综合考虑，本工程墩台混凝土应分层浇筑。合理的分层厚度及顺序，是工程施工进度和质量的保证。

通过认真的研究分析，本工程滑道墩台共分6 次浇筑，分层浇筑如图8 所示。第①、②次浇筑完成下节点部分混凝土，下节点第①次浇筑厚度400 mm，第②次浇筑厚度800 mm；第③、④、⑤次浇筑完成水上滑道整体大板结构混凝土，第③次浇筑厚度300 m，至2.8 m 平台位置，第④次浇筑厚度800 mm，第⑤次浇筑厚度900 mm，至设计顶标高4.8 m；待底模板系统拆除完成后，安装靠船构件，进行第⑥次混凝土浇注（图8 中阴影部分）。

混凝土浇注过程要均匀分布混凝土，不可堆积，超出设计布料厚度，浇注设备采用泵车。层与层浇注施工缝留设台阶状，便于后续安装靠船构件，同时便于顶部钢筋整体性。

3.3 承重系统拆除

由于靠船构件安装后，施工船机及人员将难以进入墩台底部，故整个承重系统的拆除必须在安装靠船构件之前（即第⑥次混凝土浇筑之前）完成。拆除工作主要分下节点承重系统及墩台主体承重系统拆除两步进行：第一步待下节点完成浇注后即拆除底模系统，铺设完成浇筑至墩台2.8 m 标高所需的模板系统；第二步待混凝土浇注至第④层，混凝土强度到70%时拆除全部底模板系统，然后进行上部面筋钢筋绑扎、埋件安装。

图8 墩台混凝土浇筑分层示意图Fig.8 Sketch of concrete layered pouring

4 结论

（1）海洋工程装备重量大，产品类型及尺寸多样，出运码头应满足出运工艺和荷载需要。在多种荷载的作用情况下，采用滑道与码头结构形成一体的整体墩台结构方案，具有适应荷载能力强、结构整体性好的优势。

（2）通过对本工程滑道出运码头结构方案、结构计算方法以及墩台的配筋设计的分析和介绍，总结了上述海洋重工出运码头设计特点。

（3）对于潮汐地区的大体积墩台的混凝土施工，应根据工程水文及结构自身的特点，对工程的模板承重系统及混凝土浇筑方案进行针对性的研究和分析，制定切实可行的施工方案，以保证工程的顺利实施和推进。

［1］赵晓岚，李元音，刘永绣.拖拉导管架滑道及出运码头结构设计［J］.港工技术，2004（1）：16-18.ZHAO X L，LI Y Y，LIU Y X. Slipway of guide tube frame & structural design of the wharf［J］. Port engineering technology,2004（1）：16-18.

［2］李王红，何良德.两种ANSYS 有限元模型在高桩码头计算中的对比研究［J］.现代交通技术，2007（5）：84-86.LI W H，HE L D. Comparison between two element models for calculating high-piled wharf by Ansys［J］.Modern transportation technology，2007（5）：84-86.

［3］JTS167-4-2012，港口工程桩基规范［S］.

［4］JTS151-2011，水运工程混凝土设计规范［S］.

［5］JTGD62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［6］SL191-2008，水工混凝土结构设计规范［S］.

［7］周英，张晓光，陈花美.大体积混凝土高桩墩台的施工设计［J］.中国港湾建设，2007（3）：52-54.ZHOU Y，ZHANG X G，CHEN H M. Construction design for mass concrete for platform on steel tubular piles［J］. China harbour engineering，2007（3）：52-54.