老旧高桩码头升级改造技术研究

孙熙平，阚 津，张 勇，尹纪龙

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456；2.中国交通通信信息中心，北京 100011；3.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001）

老旧高桩码头升级改造技术研究

孙熙平1，阚 津2，张 勇1，尹纪龙3

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456；2.中国交通通信信息中心，北京 100011；3.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001）

我国港口在经过大规模建设期后，存在大量的老旧高桩码头。文章结合实际工程，研究老旧高桩码头升级改造技术，并对依托工程进行升级改造方案设计。通过对改造方案进行数值分析可知，改造后码头能够满足安全性要求，且改造方案可以使新老结构协调工作，保证码头结构的受力合理和变形协调。

老旧高桩码头；升级改造；承载力；数值分析；灌注桩

Biography：SUN Xi⁃ping（1984-）,male,associate professor.

截至2012年底，经过60多年的港口建设，我国港口营运泊位已达31 862个，其中万吨级及以上泊位达到1 886个。在这些泊位中存在大量使用了几十年的老码头，如何保持这些老码头的安全性、继续充分发挥甚至提高其效能，是需要研究解决的问题。而对老码头进行升级改造可以以最小化投入和最快捷方式实现最大化效益，提升靠泊等级，是促进港口发展的必然选择。与新建泊位相比，老码头升级改造能够突破岸线资源不足、码头靠泊能力不足、生产安全隐患加大等问题。

自20世纪70年代以来，国内外陆续有码头升级改造的案例出现，例如1981年英国伦敦的道克兰码头的升级改造、2002年马来西亚的巴生港一般杂货码头的升级改造、2009年秘鲁圣尼古拉斯码头装船机的升级改造［1］、2010年的尼日利亚的Bullnose码头的升级改造［2］、2000年京唐港二港池的升级改造、2006年的广州黄埔港码头的升级改造、2010年的天津港北疆16-18段专业化干散货码头的升级改造、2011年的天津港石化码头的升级改造及2012年的珠海成品油码头升级改造工程等［3-9］。

由于老码头安全性影响因素多、模糊性大，已进行的高桩码头升级改造多采用“新建结构承担新荷载”方式，具体方案大多为新增前方承台，老结构则多为限制使用。这一方式优点是分工明确，技术上可行性大，但缺点也很多，如新建承台侵占宝贵的港池水域面积且升级造价很高、新老结构联合工作问题较多、老结构可靠性较低且使用不方便等。因此，若能确定老结构的承载力，在已有老结构基础上进行升级改造，并能使新老结构协调工作，则是较为理想的码头改造升级方案。

本文结合实际工程，研究高桩码头的升级改造技术，在码头原有结构基础上提出升级改造方案。方案注重码头新老结构协调工作，以及改造后码头结构的受力合力和变形协调等问题。

1 工程概况

天津港某码头前方承台采用连续梁板式高桩承台结构，分为10个结构段，标准段长59.5m，每个标准段包括9个基桩排架，排架间距为7m，在沉降（伸缩）缝处桩基排架间距为3.5m。后方承台采用简支梁板结构，桩基排架数及间距同前方承台。前承台原设计竖向荷载为30kPa，后承台原设计竖向荷载为50kPa。现拟在该码头前承台的向海侧设计建设新的前承台，新前承台设计竖向荷载为50kPa。为方便码头使用，拟对码头原前承台进行升级改造，使其与原后承台、拟新建的前承台的竖向设计荷载一致，即设计竖向荷载均为50kPa。

码头断面图如图1所示。

2 码头前承台结构承载力复核

图1 依托工程结构断面Fig.1 Structural section of supported project

2.1 前承台各构件承载力规范法计算

依据码头原设计结构图、配筋图及设计参数等，根据《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS 151-2011）等相关规范计算反推出码头前承台横梁、纵梁、面板等各个构件极限承载力。由于计算方法比较成熟，限于篇幅，在此不再给出详细计算过程，各构件抗力值汇总见表1。对于码头基桩的竖向极限承载力，工程进行了码头整体竖向承载力的原型试验［10］，最终确定了基桩的实际极限承载力为1 900kN。

2.2 新设计荷载作用下各构件作用力值计算

码头原前承台堆货荷载拟提高至50kPa，先分析码头前承台提高荷载标准后的安全性。根据《高桩码头设计与施工规范》（JTS 167-1-2010），前承台竖向设计荷载需乘以1.5的分项系数即为75kPa。现取该泊位一典型的结构段建立有限元模型，计算在新设计荷载作用下前承台各构件的作用力值。由于本次计算主要计算上部构件的受力，土对桩的约束作用可简化成嵌固点理论。本次计算结构段长59 m，共八跨，每跨7m，宽13.9m，有限元模型见图2。

提取中间一排基桩的竖向作用力值，基桩从码头前沿向陆域编号依次为1～5#桩，计算结果见表2。

提取横梁、纵梁的弯矩，横梁的最大正弯矩为617.2kN·m，最大负弯矩为633.3kN·m；纵梁最大正弯矩为444.4kN·m，最大负弯矩为487.2kN·m；面板最大正弯矩为156.9kN·m，最大负弯矩为301.7 kN·m。横梁、纵梁和面板的弯矩图见图3～图5。

表1 码头前承台上部各构件极限承载力汇总Tab.1 Ultimate capacity of wharf front platforms

图2 典型结构段的有限元模型Fig.2 Finite element model of typical structure

表2 中间排架基桩竖向作用力值Tab.2 Vertical force of the middle bent piles

图3 横梁弯矩图Fig.3 Bending moment of crossbeam

图4 纵梁弯矩图Fig.4 Bending moment of longitudinal beam

2.3 抗力与作用力值对比分析

将规范法计算的构件抗力值与有限元模型计算的作用力值结果汇总，见表3、表4。

通过表3、表4可知，上部构件（包括横梁、纵梁、面板）的抗力值均大于作用值，均满足安全性要求；对于基桩承载力，部分基桩的极限抗力小于设计荷载作用下的作用力值，不满足安全性要求。因此，前承台需要进行升级改造才能满足新的设计荷载要求。

表3 上部构件抗力和作用力计算结果汇总表Tab.3 Calculation results about resistance and acting force of the upper members

表4 基桩抗力和作用力计算结果汇总表Tab.4 Calculation results about resistance and acting force of the foundation piles

图5 面板弯矩图Fig.5 Bending moment of panel

3 码头前承台改造方案

3.1 码头前承台改造方案设计

根据对前承台构件承载力复核的计算结果可知，在新设计码头面荷载作用下（竖向荷载50kPa），前承台上部构件横梁、纵梁、面板均满足安全性要求，但基桩不满足安全性要求。所以本次改造方案以补桩提高结构整体桩基承载力为主，同时考虑保持结构整体性、受力合理及变形协调。改造方案设计在每跨中间增加一根灌注桩，同时增加桩帽和纵梁等结构。增加的灌注桩设计直径0.8m，底标高-30.0m，根据地勘资料计算可知新增设的灌注桩竖向承载力为2 013kN；新增设的纵梁尺寸与码头原横梁一致，新增设的纵梁与原横梁连接形成连续梁。改造后码头一个典型结构段的立面图见图6，俯视图见图7，灌注桩的剖面图见图8。

图6 码头前承台改造后典型结构段立面图Fig.6 Elevation view of typical structure for reformed wharf front platforms

图7 码头前承台改造后典型结构段俯视图Fig.7 Top view of typical structure for reformed wharf front platforms

图8 1-1断面灌注桩剖面图Fig.8 Profile map of bored pile for cross⁃section 1-1

3.2 前承台改造方案数值计算分析

依据改造方案，建立有限元模型，计算在设计荷载作用下（竖向荷载50kPa，考虑分项系数后为75kPa）码头前承台改造后各构件的受力状态。

本次计算取码头前承台一个典型的结构段，结构段长59m，宽13.8m，构件尺寸和材料特性依据工程地勘资料确定。为消除土体边界对计算结果的影响，土体长度方向取120m，宽度方向取80m，土体四周及底部固定约束。桩与土采用接触模拟，土体本构模型采用DP模型。模型采用的土性参数见表6。

建立的有限元模型见图9，码头结构设计荷载作用下整体变形变位图见图10，码头横梁弯矩见图11，码头原纵梁弯矩见图12，码头新增设的纵梁弯矩见图13，码头面板弯矩见图14。

表5 土体参数Tab.5 Soil parameters

图9 码头前承台改造后有限元模型Fig.9 Finite element model of reformed wharf front platforms

图10 码头前承台改造后设计荷载作用下整体位移图Fig.10 Global displacement of reformed wharf front platforms by design load

图11 码头前承台改造后设计荷载作用下横梁弯矩Fig.11 Crossbeam moment of reformed wharf front platforms by design load

图12 码头前承台改造后设计荷载作用下原纵梁弯矩Fig.12 Original longeron moment of reformed wharf front platforms by design load

图13 码头前承台改造后设计荷载作用下新增纵梁弯矩Fig.13 Added longeron moment of reformed wharf front platforms by design load

图14 码头前承台改造后设计荷载作用下面板弯矩Fig.14 Panel moment of reformed wharf front platforms by design load

根据有限元计算结果，提取基桩作用力及各构件弯矩值，并结合前承台构件承载力复核结果，汇总见表6、表7。

3.3 结论

通过表6、表7可知，码头前承台各构件（包括横梁、纵梁、面板、新增加纵梁）在设计荷载作用下，作用力值均小于构件抗力值，基桩在设计荷载作用下的作用力值均小于试验抗力值。同时，通过有限元模型的变形变位计算结果可知，设计荷载作用下码头结构整体变形较小，提取基桩沉降，最大沉降为6.5mm，未出现较大沉降。所以综合分析可知，通过本方案改造后的结构满足安全性要求。

表6 改造后上部构件抗力和作用力计算结果汇总表Tab.6 Calculation results about resistance and acting force of the upper members after reformed

表7 改造后基桩抗力和作用力计算结果汇总表Tab.7 Calculation results about resistance and acting force of the foundation piles after reformed

4 结语

老码头升级改造可以以最小化投入和最快捷方式实现最大化效益，对突破岸线资源不足、提升靠泊等级、促进港口可持续发展具有重要意义。本文结合实际工程，研究老旧高桩码头升级改造技术，对依托工程进行了码头升级改造方案设计。通过对改造方案进行数值分析可知，改造后码头能够满足安全性要求，且改造方案可以使新老结构协调工作，保证码头结构的受力合理和变形协调。

［1］吴波，李元音，王丽芳.首钢秘鲁圣尼古拉斯港码头改造工程码头核算［J］.中国港湾建设，2009，161（3）：34-37.

WU B,LI Y Y,WANG L F.Accounting for Rehabilitation of Shougang′s Wharf in San Nicolas Port,Peru［J］.China Harbour Engi⁃neering,2009,161（3）：34-37.

［2］王志超.尼日利亚的Bullnose码头改造项目投标方案优化［J］.水运工程，2011，456（8）：56-59.

WANG Z C.Optimization of bidding option for re⁃development of Bullnose port,Nigeria［J］.Port&Waterway Engineering,2011,456（8）：56-59.

［3］赵冬梅，郑厅厅，朱子平.天津港专业化矿石码头结构优化方案［J］.中国港湾建设，2010，166（2）：18-20.

ZHAO D M,ZHENG T T,ZHU Z P.Optimized Program of Specialized Course Ore Wharf Structure in Tianjin Port［J］.China Har⁃bour Engineering,2010,166（2）：18-20.

［4］谭军华.老码头改造中新老结构结合处理的实践［J］.水运工程，2010，437（1）：71-74.

TAN J H.Treatment of bounding between the new and old structures in rebuilding old docks［J］.Port&Waterway Engineering,2010,437（1）：71-74.

［5］沈美娟，汪宏，王勇.码头结构加固改造的有限元分析［J］.中国水运，2011，11（8）：263-264.

SHEN M J,WANG H,WANG Y.Finite Element Analysis on Consolidation and Renovation of Wharf Structure［J］.China Water Transport,2011,11（8）：263-264.

［6］王轩.天津港老旧码头加固和加深改造［J］.港工技术，2011，48（1）：29-31.

WANG X.Consolidation and Deepening Renovation of Old Berth in Tianjin Port［J］.Port Engineering Technology,2011,48（1）：29-31.

［7］肖光.天津港石化码头升级改造研究［D］.天津：天津大学，2009.

［8］刘金明.天津港南一泊位30万t油船减载靠泊技术改造［J］.交通信息与安全，2009，27（s）：177-180.

LIU J M.Technical Renovation of Berthing with Load Decreased for 300000 tons Oil Tanker at a Southern Berth in Tianjin Port［J］.Journal of Transportation Information and Safety,2009,27（s）：177-180.

［9］刘文颖，江泉，朱卫,等.码头技改工程试验研究与分析［J］.河海大学学报：自然科学版，2010，38（s）：414-416.

LIU W Y,JIANG Q,ZHU W,et al.Experimental Research and Analysis on Technical Renovation Project of Wharf［J］.Journal of Hohai University：Natural Sciences,2010,38（s）：414-416.

［10］交通运输部天津水运工程科学研究院.天津港22～24#码头前承台竖向承载力原型试验及加固方案研究［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究院，2012.

Research on upgrade and reform technology of old high⁃piled wharf

SUN Xi⁃ping1,KAN Jin2,ZHANG Yong1,YIN Ji⁃long3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety,Ministry of Transport,Tianjin300456,China；2.China Transport Telecommunications&Information Center，Beijing100011,China;3.Harbin Engineering University,Harbin150001,China）

After the period of large⁃scale construction,there are lots of old high⁃piled wharves in China.In this paper,combined with actual engineering,the upgrading and reforming technology and project of the old high⁃piled wharf were studied and designed.The numerical analysis of the reformed project shows that the reformed wharf can meet the safety requirements.The project harmonizes the new structures with the old ones and ensures the wharf structure with reasonable load and deformation compatibility.

old high⁃piled wharf;upgrade and reform;bearing capacity;numerical analysis;bored pile

U 656.1+13

A

1005-8443（2014）02-0165-06

2013-07-23；

2013-09-22

孙熙平（1984-），男，山东省人，副研究员，主要从事水工构造物检测、诊断与加固技术研究。