高桩墩式码头结构在开敞水域的适用性

凌霄

【摘 要】 为分析高桩墩式码头上部结构的波浪受力特性，采用不同的波浪水平力计算方法进行计算。结果表明，考虑码头上部结构反射系数的计算方法更合理，同时对高桩墩式码头结构方案与高桩梁板式码头结构方案进行比选，高桩墩式码头结构因其良好的波浪受力特性和系缆装卸便利性，适用于开敞水域的码头平台建设。

【关键词】 高桩墩式码头结构;高桩梁板式码头结构;波浪水平力;结构反射系数

0 引 言

港口作为水陆联运的节点，近年来为国家“一带一路”建设发挥了至关重要的作用。外海波浪较大是制约码头建设朝深水化、大型化发展的关键因素，尤其是当码头前沿顶高程较低时，在波浪水平力及浮托力的共同作用下，码头结构受损时有发生。码头结构及码头前沿顶高程的确定，不仅涉及结构安全，而且影响工程投资。文章结合工程中遇到的码头结构选型问题，分析波浪较大时高桩墩式结构的适用性。

1 工程概况

1.1 地理位置

本工程位于興化湾北岸江阴半岛，地处福清市江阴镇壁头村西南侧海域，西侧紧邻江阴港区1号集装箱码头，为规划的江阴港区壁头作业区14号泊位工程。兴化湾从东北向的牛头尾到西南石城三面环山，东南向由兴化水道及南日水道与台湾海峡相通，口门外有南日群岛作为屏障。拟建项目地理位置见图1。

1.2 建设规模

本工程规划建设5万吨级集装箱泊位1个（水工结构按可靠泊10万吨级集装箱船设计），近期按10万吨级通用散杂货泊位使用，泊位长度325 m，年设计通过能力236万t。

1.3 水文地质条件

（1）设计水位（当地理论最低潮面）：极端高水位8.58 m，设计高水位7.45 m，设计低水位0.69 m，极端低水位 0.51 m。

（2）波浪：码头前沿线近似呈东西走向。根据平海及平潭站风速、波浪资料推算，强浪向为东南或东南偏东向。工程设计波浪要素见表1。

（3）地质：场地内地层自上而下分布有淤泥、 淤泥混砂、中砂混淤泥、中砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩。

2 码头结构选型

目前围填海政策管控严格，实施填海审批难度较大。为避免造成岸线资源浪费，码头建设需采用透空式结构。海港工程中常见的透空式结构有高桩梁板式、高桩无梁板式及高桩墩式，其中高桩墩式结构由靠船墩、系船墩、工作平台组成，工作平台多采用高桩梁板结构。

工程设计中码头前沿顶高程需同时满足上水控制标准与上部结构受力控制标准的要求。受力控制标准是码头结构在波浪作用下根据受力安全要求设定的码头前沿顶高程控制标准，也是码头结构强度设计与设定的波浪条件互相适应和妥协的结果。本工程按上部结构不受力计算出码头面高程为+11.2 m，而相邻已建1号集装箱码头为重力式结构，码头面高程为+9.5 m，两码头面之间存在高差不便于一体化经营。若考虑上部结构受力而降低码头面高程时，波浪力水平力及浮托力又增大明显。高桩码头在波浪作用下，通常梁先产生裂纹。[1] 面板等细薄构件在波浪和汽车荷载往复作用下极易发生疲劳破坏，且梁格的存在使得码头上部结构受到的浮托力明显大于相同条件下平板的浮托力。[2]  参考国内外工程实例，结合高桩码头结构受力特点，通过加强码头上部结构以降低码头面高程往往并不经济;因此，波浪较大时可考虑采用高桩墩式结构，既降低码头面高程，又避免梁格对码头上部结构波浪浮托力的放大效应，兼具实体结构抗浪性良好的优点。

经多方案比选论证，码头拟采用高桩墩式结构。墩台厚3 m，平面尺寸为正方形（边长37 m），桩基采用直径1.5 m的灌注桩，桩间距5.5 m，桩端持力层为中风化花岗岩，桩端进入持力层不少于6 m。

3 结构波浪力计算

根据计算，墩台底部所受波浪浮托力为桩基抗拔力控制荷载，其作用效应设计值小于结构自重产生的稳定作用;而墩台侧面所受波浪水平力为桩基弯矩控制荷载。因此，结构设计应合理确定墩台顶面高程及迎波面厚度。

3.1 计算方法

目前相关规范及手册对作用在高桩墩式码头上的波浪水平力计算公式均未作出说明。作用在高桩梁板式码头上的波浪水平力，可参考《海港码头结构设计手册》的计算方法。[3] 作用在结构立面上的波浪力由动水压力和静水压力两部分组成，算式如下：

式中：为水的密度，t/m3; g为重力加速度，一般取9.8 m/s2; h为静水面至波面的高度，m;v为水质点轨道水平运动的水平分速度，; 为建筑物所在处行进波高，m; l为波长，m;T为周期，s; d为水深，m; z为计算点在静水面以下的深度（水面以上均取z=0）， m; x为波面点至波峰顶的水平距离，m。

这种计算方法假定桩基透空式码头波浪反射可忽略，波浪反射系数取0。根据波浪理论，当波浪横向入射时，如果码头长度达到1倍波长时，码头前形成立波，此时反射系数应取1.0。当桩基透空式码头上部结构迎波面阻水面积较大（高桩墩式），其波浪反射系数不能忽略时，如仍按反射系数0取值进行计算，则与实际情况存在较大偏差。《海港总体设计规范》[4] 对上部结构阻水较大的桩基透空式码头前沿波浪反射系数给出了参考计算公式：

式中：n为波浪反射系数;k为波数;h0为按行进波计算的波峰面高度，m;h1为上部结构入水深度，m。

针对大尺度方形或矩形柱体上波浪力，可折算直径后按圆形柱体上的波浪力计算。

针对本结构特点，拟对高桩墩式码头上部结构分别按动水压力加静水压力、考虑上部结构的反射系数、将其简化为直墙式建筑物、将其假定为大尺度墩柱等4种方法进行计算。

为便于比较，统一采用极端高水位时波浪对应不同的水位进行计算。不同计算方法下波浪水平力的分布见图3。

3.2 结果分析

（1）从图3可以看出，上部结构受到的波浪水平力均随着水位的降低而减小。大尺度墩柱模式的计算结果明显高于另外3种方法。这是由于将墩式结构考虑成从墩顶到泥面的竖向阻水断面，忽略了桩基的透水作用，因此该方法不宜用作高桩墩式结构波浪水平力的计算。

（2）墙前形成立波的计算方法是考虑上部结构反射系数取1.0的理想状态，实际反射系数与上部结构入水深度及波数等相关。当水位设置在+6.5 m以下时，考虑上部结构反射系数方法的计算结果与动水压力加静水压力方法的计算结果比较接近，说明此时反射系数较小。

（3）工程设计时，多采用动水压力加静水压力的计算方法，其计算结果较考虑上部结构反射系数方法的计算结果要小，特别是上部结构入水深度较大时不能忽略其阻水效应，因此考虑反射系数的计算方法是偏安全的。值得注意的是，对于高桩梁板式结构，单个波峰产生的波浪水平力会同时作用于几根纵梁，导致波浪水平力较大，甚至高于立波计算值。[5] 相比高桩梁板式结构的梁格对波浪水平力的放大效应，高桩墩式结构仅码头前沿受到波浪水平力，具有稳定优势。

（4）通过调整墩台底面高程并进行计算发现，当墩台底面高程设置在极端高水位以上0.5倍波高附近时，受到波浪作用产生的桩基弯矩最大。这是由于桩基弯矩与桩基计算长度的平方成正比关系，墩台底面高程设置过高会导致结构稳定性降低;当降低墩台底面高程时，虽然波浪水平力增大，但桩基计算长度减小，桩基的弯矩仍处于受控范围。

（5）高桩墩式上部结构反射系数通常小于直墙式结构，其码头前沿越浪量也低于直墙式结构，从满足码头上水控制标准考虑，其较低的码头面高程有利于节省工程造价。

4 结构特点

本工程对码头结构型式进行较为详细的技术比选，最终推荐采用高桩墩式结构方案。高桩梁板式与高桩墩式两种结构方案优缺点见表3。

经过计算，两种结构方案均能满足使用要求。高桩梁板式码头结构设计一般不考虑面板承受竖向波浪力，往往忽略了纵梁受到的波浪水平力。本项目纵梁加面层高度达到了2.85 m，即使码头面标高取+11.2 m，上部结构所受波浪水平力也未明显低于高桩墩式结构，而随着码头排架间距和纵梁高度增加，上部结构所受波浪水平力甚至会超过高桩墩式结构所受波浪水平力。同时，在面板结构受力复杂情况下，高桩墩式结构适应性更好。例如福建宁德霞浦核电工程大件码头就采用了高桩墩式结构方案。随着类似工程开展，相应的研究越来越多，高桩墩式结构的波浪受力特性也会越来越明晰，其结构型式的推广是具有现实意义的。

5 结 语

（1）高桩墩式码头结构具有良好的波浪受力特性，适用于开敞水域码头平台建设。

（2）虽然码头结构型式采用高桩墩式的造价较高桩梁板式的高，但相比码头面高程降低带来的系缆和装卸作业便利，是可以接受的。

（3）考虑码头上部结构反射系数的计算方法是基于规则波的假设。波浪力对高桩墩式结构的作用会受到波浪传递方向的影响，实际海域中波浪是多向不规则波，波浪传递具有复杂性。目前关于高桩墩式结构在波浪作用下的受力特性研究并不多，建议通过物理模型试验验证该计算方法的适用性。

参考文献：

[1] 沈才华，谢飞.离岸深水码头波浪力作用下顶高程对码头损伤的影响[J].水运工程，2018（9）：59-65.

[2] 王元戰，陈洁.高桩码头上部结构波浪冲击作用研究[J].港工技术，2013（5）：19-23.

[3]交通部第一航务工程局设计研究院.海港码头结构设计手册[M].北京：人民交通出版社，1975：143.

[4]中交水运规划设计院有限公司，交通部第一航务工程局设计研究院.海港总体设计规范（JTS 165―2013）[S].北京：人民交通出版社，2014：176.

[5] 荣传亚，周益人.高桩码头上部结构波浪水平力试验研究[J]. 水运工程，2013（9）：55-59.

[6] 孙岩松. 大件码头现浇墩台混凝土施工技术[J]. 中国水运，2019（6）：125-126.