非洲某散货码头升级改造设计方案探讨

骆俊彬，陈章楷

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

引 言

在船舶大型化趋势发展的进程中，深水岸线资源日趋紧张，新建码头需要大量的资金投入和较长的建设周期，使得对老码头进行结构加固改造，提升老码头的服务能力成为解决岸线资源紧张问题的重要途径[1]。因此，以提高码头靠泊能力为目的的码头结构加固改造成为当前港口建设的重要组成部分[2]。同时，为适应码头靠泊能力提升和装卸吞吐量升级，增加装卸能力，也需要对老码头进行结构改造升级。老港区码头的升级加固有很高回报率，以我国上海港为例，自 80年代后期以来，上海港对一系列老码头进行了改造，至90年代后期，10年间码头建设共投入资金98.43亿元，其中更新改造占42 %。10多年来的新建、改造，大力推动了港口运营效率，取得了较好的经济效益。2002年上海港总货物吞吐量达2.6亿t，相比1990年增长80 %，2002年集装箱吞吐量完成861.2万TEU，为1990吞吐量的 19倍[3]。数据说明，旧码头的升级扩建带来的效益相当可观。

从总体角度来划分，国内外码头结构加固改造工程具有以下三大特征[4]：

1）旧码头的加固、改造、升级和扩建是码头建设的主流方式；

2）码头结构加固改造工程都是以使码头能够适应大型船舶，满足多样性装卸需求，全面提高码头的结构功能为目标；

3）新时期的码头结构类型、货种、业主要求的多样化催生的码头结构加固改造工程施工技术多样性。

不同型式的码头结构，其升级改造的思路与施工技术大相径庭。高桩码头结构的加固改造主要包括原结构的拆除、新增桩基的施工、新建上部结构的施工和原结构破损部位的加固修复等[5]。高桩码头常见的改造加固方法有：局部改造法、分离式改造法、前方桩台法、扩大护舷法、串联加固法、板桩加固法、锚杆加固法等[6]。本文以非洲某粮食码头为例，从控制造价成本、施工便利、结构安全的角度比选该码头的升级加固方案。该码头原靠泊船型为4万t级散货船，因粮食吞吐量的增加，需升级靠泊8万t级散货船，并且需要扩建泊位100 m，浚深港池和航道，更换护舷、系船柱等附属设施。

1 项目概况

某粮食码头位于非洲东海岸，河流入海口的凹岸一侧，距离入海口12 km，为感潮河段海港。该码头于20世纪90年代建成投产，原泊位长度55 m，港池底高程-11 m，最大的装卸船型为4万t级的粮食散货船。装卸平台为高桩梁板式结构，而系缆墩和主、副靠船墩均为高桩墩台型式。其中系缆墩和主靠船墩均为独立的墩式结构，而副靠船墩位于装卸工作平台的下方，与装卸工作平台并未连接。原码头的桩位平面布置如图1所示。

为了满足靠泊8万t级粮食散货船，泊位长度需延长，原码头扩建100 m，码头前沿设计底高程浚深至-16.0 m，新建靠船墩一个，并更换系船柱和橡胶护舷等附属设施。

图1 原码头桩位布置

2 项目升级改造的难点

2.1 原码头使用年限较长，结构较单薄

原码头平台为高桩梁板结构，桩基为钢管桩斜桩，桩底高程-20～-30 m，直径 864 mm，壁厚22.2 mm。与后方引桥搭接处为码头扩散段，增设了三根直径610 mm、壁厚19 mm的钢管桩直桩。钢管桩标号均为Q345。排架间距9 m，一个排架两根斜桩，桩身倾角1:10。码头上部结构中的面板、横纵梁为预制构件，桩帽与节点为现浇，原码头结构的立面如图2所示。

图2 原码头结构立面示意

原主靠船墩为高桩墩台结构，桩基为钢管桩直桩，桩底高程-26～-31 m。有两种桩型：直径864 mm、壁厚22.2 mm，12根；直径610 mm、壁厚19 mm，4根。钢管桩标号为Q345。原护舷为MV 1 450 H 1 500 L型护舷2组，两个50 t系船柱前后布置。墩台长17.75 m，宽7.5 m，厚2 m，混凝土标号C40。

副靠船墩的结构型式同样为高桩墩台结构，桩基由8根直径864 mm、壁厚22.2 mm的钢管桩以及4根直径610 mm、壁厚19 mm的钢管桩构成。型号MV 1 450 H 1 000 L的护舷2组，一个30 t系船柱。墩台长13.75 m，宽7.5 m，厚2 m。系缆墩亦为高桩墩台型式，由8根环形布置，直径864 mm，壁厚22.2 mm的钢管桩直桩。墩台上布置两个50 t系船柱，墩台厚度为2 m。

原桩基强度不能满足靠泊8万t级散货船的受力要求，并且港池浚深较多更加削弱了原结构桩基的承载能力，因此，结构的加固升级是十分必要的。

2.2 原码头设计资料缺失

原码头设计图纸与地质钻孔资料均为纸质资料，并且由于历史原因，部分资料缺失，给码头的加固方案设计造成障碍。为准确计算原因结构承载能力与加固设施承载能力，暂根据现有扫描图纸与项目附近区域的地质资料初步估计本项目的地质情况。

2.3 原码头水域狭窄，打桩施工较为困难

因原码头存在预留的靠船墩和系缆墩，和现有的装卸工作平台距离很近。同时，原码头为引桥式高桩码头，相邻一侧还有突堤码头，煤码头等。并且该河口水域繁忙，出入和作业的船舶较多，码头周围水域较为狭窄，设计方案需要充分考虑船舶施工作业对过往船舶航行安全以及相邻码头正常运营的影响，尽可能减少使用大型船机设备。

图3 码头总平面布置示意

2.4 原码头年久失修，对原结构需充分检测和复核

高桩码头由于上部结构单薄，在自然环境中易受损坏，桩帽及其上部的横纵梁节点为码头受力最为集中的部位，也是码头耐久性最差的部位。本粮食码头建成到现在约有三四十年，又是高桩结构，上部结构为钢筋混凝土梁板，运营期间曾经历过火灾，部分上部结构混凝土表面脱落，钢筋外露。因此，升级改造前，首先应对现有结构做一个整体检测，充分了解原结构的裂缝、破损等上部结构混凝土表观情况以及钢管桩海水腐蚀程度，牺牲阳极块是否需要更换，阴极保护的现有情况等等。在全面检测后，对原结构的现状有了一定的了解，再对原结构受力进行复核，掌握原结构的承载力情况和预留富裕的程度，并依据检测结果对原有混凝土结构进行修补设计、对桩基加设套筒并灌浆等加固设计。

3 设计方案

综合分析原码头的现状、升级改造的使用要求，以及项目所在地的建设条件，确定了“便于施工、节省造价”的设计方案的原则。

3.1 靠船墩与工作平台加固连接成整体

1）设计方案

原工作平台尺寸为77.15 m×11.5 m，工作平台顶高程为 6.355 m。两个副靠船墩分别位于原工作平台之下，副靠船墩面板高程4.75 m，工作平台与靠船墩之间没有连接、彼此分离，工作平台只承担卸船机荷载，主要为竖向荷载。改造方案将工作平台与靠船墩固定在一起，使其整体受力、平台斜桩分担靠船力，将靠船力由转化为斜桩轴力，从而减小桩基弯矩，避免了靠船墩因为靠泊荷载变大和增加浚深引起的桩身强度验算不满足。新建的100 m工作平台，同样将预留的主靠船墩与新工作平台加固成整体，利用靠船墩和连片式工作平台整体受力抵抗船舶荷载水平力。

具体的加固连接方案是首先拆除原预制板，在原墩台的位置上方增加3根750 mm×1 250 mm现浇横梁，横梁通过植筋并涂植筋胶以及环氧树脂胶结剂的方式与原墩台和原工作平台连接[7]。原墩台与新建平台连接部位辅以大尺寸角钢和斜撑钢板改善传力机制，避免新增现浇横梁受扭和水平向弯矩的增加，并采用钢垫板与螺栓进行连接。

2）结构计算

采用有限元软件ANSYS进行建模，对桩基和纵横梁等构件的结构内力计算，结构整体计算模型见图4。钢管桩采用3-D线性有限应变梁BEAM188单元进行模拟，底部的桩土相互作用采用非线型弹簧COMBIN39单元赋予P-Y曲线作为单元常数进行模拟。模型中墩台和装卸工作平台连接处的三根现浇横梁采用约束自由度的方式进行模拟，连接处计算模型见图 5。码头荷载包括自重、堆货荷载、装卸船机荷载、船舶荷载，并按欧标工况组合。钢管桩的桩身强度采用美国API规范进行验算（小于1.0为满足结构强度要求），桩基的内力有限元计算结果和桩身结构强度验算结果如表 1和表 2所示。土层对桩基的承载能力经验算其安全系数大于2.0，满足要求。

图4 原码头与墩台整体模型

图5 原码头与墩台连接方式

表1 原码头平台桩基内力计算结果与桩强度验算

表2 主靠船墩桩基内力计算结果与桩强度验算

3.2 靠船墩加桩方案

1）设计方案

保持原来的装卸工作平台与靠船墩彼此之间相互分离，仅对原靠船墩单独进行升级改造。因原靠船墩桩基难以满足8万t级船型受力要求，需要采取加桩措施。通过反复计算对比，原每个靠船墩增加4根钢管桩，桩径1 000 mm，壁厚20 mm。4根直桩分别位于靠船墩两侧，一侧两根，并将墩台两侧进行加宽，通过植筋的方式将现浇混凝土和原墩台连接成为整体。加桩方案如图6所示。

图6 靠船墩加桩方案平面布置示意

2）结构计算

同样采用ANSYS建立墩台模型，对桩基和上部墩台进行结构内力计算。钢管桩采用美国API规范进行结构强度验算，桩基内力计算结果和强度验算如表 3所示。桩基承载力安全系数大于 2.0，满足要求。

表3 靠船墩桩基内力计算结果与桩强度验算

3.3 设计方案对比

靠船墩与工作平台连接成整体的优点有：充分利用原有结构整体受力，无需加桩，只有加固部分少量的混凝土量和钢材量。减少了水上打桩设备与作业量，工程造价较低，施工工期较短。缺点有：工序较多，需拆除部分预制板，加固完成后再进行修补，还需混凝土凿毛，植筋，涂植筋胶，安设角钢、斜撑钢板，螺栓垫板固定等。

靠船墩加桩方案的优点有：施工工序较少，只需打桩并现浇墩台，仍由靠船墩承受船舶荷载，当靠船墩损坏时，只需修补靠船墩，工作平台不受影响。缺点有：受现有结构影响和狭窄水域，桩基施工困难。桩基数量增加较多，4个靠船墩共需要增加 16根桩，工期较长。打桩费用高，改扩建工程造价较高。

综合考虑工程造价，施工进度，以及实施的安全性和便利性，经过比选，码头升级改造设计方案采用靠船墩与工作平台连接成整体的结构方案。

4 结 语

本粮食码头建成年代已久，结构单薄，又经历过火灾，混凝土结构有较大范围的破损，而此次码头升级改造的特点是靠泊船型升级幅度大，港池浚深大，扩建和改建同时实施，工程水域繁忙且狭窄，出入和作业的船舶较多，水上施工条件严苛，对于升级改造的设计方案造成很大困难。而大幅度的靠泊船型升级要求结构有足够的承载能力。本设计对比了结构整体连接加固方案与只是靠船墩加桩方案的结构承载能力与施工优缺点，并最终确定了采取靠船墩与装卸工作平台连接成整体的设计方案，充分利用原有结构的承载能力，将靠船力转化为斜桩轴力，从而减小桩基弯矩，避免了靠船墩因为靠泊船舶荷载变大和增加浚深引起的桩身强度验算不满足。既使工期得到压缩，又降低了造价成本，成功解决了该旧码头升级改造遇到的难题。本项目设计方案经验可供类似散货码头项目升级改造提供参考。