菲律宾马利万斯2×300 MW燃煤电厂码头水工结构设计要点

张嵩云，毛 卉

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

菲律宾是中国“一带一路”倡议中的重点区域，近年来国内企业越来越多地接触菲律宾的港口工程项目。菲律宾港口建设中，中、菲规范体系存在一定差异，菲律宾建筑结构规范NSCP(2001年版)[1]借鉴美国规范UBC 97[2]，主要指导码头工程的荷载、结构计算，涉及港口的船舶荷载、码头结构整体性计算的菲律宾港口规范(2009年版)[3]主要借鉴日本规范OCDI (2002年版)[4]，充分了解分析中、菲港口设计规范的差异是中国企业完成菲律宾地区港口设计的关键。

由于菲律宾的地理位置位于环太平洋地震带及西太平洋台风影响区域，与国内码头结构设计相比，需要重点考虑大浪、强震的影响，因此码头结构设计中妥善处理波浪、地震的荷载要求与使用要求的冲突，是码头结构设计的关键。

菲律宾马利万斯2×300 MW燃煤电厂码头工程位于开敞海域、高地震及火山地质区域，在充分分析性能和功能要求后，采用带下层系靠船平台的全直桩结构，妥善解决大浪、强震的结构要求与使用功能冲突；同时工程设计中充分考虑中、菲设计规范在地震、船舶荷载上的差异，设计成果顺利通过菲律宾当地咨询公司审查，现已建成运营。

1 工程概况

菲律宾马利万斯电站码头工程位于菲律宾吕宋岛马尼拉湾湾口北岸，属巴丹省的马利万斯市。工程地理位置为北纬14°25′，东经120°32′。该码头工程新建1座7万吨级卸煤泊位(最大兼顾船型为8.8万t散货船)，卸煤泊位设计年吞吐量400万t。

2 设计条件

2.1 设计水位

设计高水位为1.88 m，设计低水位为0.39 m，极端高水位为2.61 m，极端低水位为-0.44 m。

2.2 波浪

工程水域掩护条件较差，属于开敞海域，无掩护的SSW～SW向波浪极大，波浪重现期100 a时，卸煤码头前沿-16 m水深处波高H1%达9.13 m。

2.3 潮流

本工程海区潮型属全日潮，海域潮流具有明显的往复流特征。涨潮流走向98°～103°，落潮流走向281°～285°，码头前沿最大可能垂线平均流速约1.1 m/s(考虑50 a一遇风海流)，1 a一遇的涨潮流垂线平均最大流速约0.6 m/s。

2.4 地质条件

根据地质资料，工程区域地址主要由近代火山形成，除表面局部分布有0.6～6 m厚中粗砂层外，土层主要由强风化火山集块沉积岩、火山集块沉积岩，并存在以透镜体状分布的由强风化火山集块沉积岩风化形成的粉细砂及安山岩孤石。

2.5 地震

菲律宾地处环太平洋地震带，地震活动频繁，工程区域地震平均峰值加速度值为0.3g。

2.6 设计荷载

设计荷载包括码头堆载、流动车辆荷载、轨道荷载、波浪力、船舶荷载、地震荷载、水流力和风压力等。

3 结构设计方案

3.1 码头结构方案

根据现场地质情况，最终选定高桩梁板式方案作为码头结构方案。码头上部结构采用梁板式结构，基桩采用φ1 800 mm冲孔灌注桩。码头排架间距为9 m，每榀排架布置4根桩。上部结构为正交梁板体系，即现浇横梁，预制纵向梁系，叠合面板的结构形式。其中轨道梁为预应力混凝土结构。横梁为倒T形，预制纵向梁系搁置在下横梁上。

基于减少台风期波浪对码头上部结构影响的考虑，设计码头面高程为10.5 m，为方便船舶靠系泊，在码头前沿设置大型桩帽作为下层系靠船平台结构，系靠船平台顶高程为6.5 m，突出码头前沿2 m，采用钢斜梯与码头面相连，码头断面及立面见图1。

图1 码头断面与立面

3.2 引桥结构方案

本工程引桥面高程由码头至驳岸为10.5～24.9 m，结构采用高桩墩台结构，引桥墩间距为30 m，见图2。桩基根据墩台受波浪力情况分别采用φ1 800 mm和φ1 500 mm钻孔灌注桩，每墩布置4根桩，为减少波浪荷载下墩身位移，在桩间设横撑。引桥墩上搁置预应力空心板，板高1.3 m、长25 m，每跨布置4～7块空心板。

图2 引桥纵剖面

4 结构设计要点及解决方案

4.1 设计标准体系的选择

在开展设计工作前，发现菲律宾建筑规范是基于美国建筑类规范修编而成，相当于UBC 97；但受菲律宾工程技术实力所限，其港口设计手册借鉴日本OCDI规范编制而成，相当于OCDI(2002年版)。

最终确认码头的设计标准体系采用以当地规范为主、主流的国际港口设计规范为辅的原则。具体设计标准体系为：整个结构设计的荷载体系(组合和组合系数)、风荷载和地震荷载均严格按照菲律宾规范执行；对于码头特用的船舶荷载、波浪荷载等则分别使用石油公司国际海事论坛OCIMF规范[5]、国际航运协会PIANC规范[6]；构件设计按照当地规范执行。

4.2 波浪荷载设计

工程区域水深浪大，卸煤码头前沿设计波高H1%达9.13 m，波浪力荷载巨大，经过优化后的设计断面作用在单榀横梁上(包括桩身波浪力)的波浪力仍超过1 000 kN，整个码头分段极端波浪力近9 000 kN，极端大波荷载成为码头极端工况的控制荷载。

针对结构设计中的波浪荷载设计，从3个方面进行设计优化：1)界定波浪力影响范围，根据波浪力作用范围设计纵向梁系底高程，通过抬高纵向梁系设计底高程，设置下层靠系船平台解决船舶靠泊问题，减少码头立面受浪面积;2)明确波浪力组合因素，考虑到工程强浪向主要为SSW～SW向，方向夹角为50°～90°，且主要受台风影响而生成，与大潮汛潮流叠加概率极低，因此设计中排除设计最大流速，选用0.3 m/s流速作为极端大波情况下的横向叠加流速;3)在码头整体模型中考虑波浪力由于相位差产生的衰减，将不同桩位推算得到的不同相位桩身波浪力分别计算并输入至整体码头模型，避免放大波浪力影响。

抬高上部结构高程在减少大浪情况下受浪面积的同时，间接提高整个结构的柔性，为后续的结构抗震设计创造有利条件。

4.3 结构抗震设计

工程位于强震区域，设计地震平均峰值加速度为0.3g。对于地震荷载，国内以往的设计中往往考虑加强水平向支撑，加大结构刚度“硬”抗地震荷载，但在强震情况下，由于地震反应谱曲线更为“陡峭”(更高的反应峰值及更长的峰值对应周期)，在过于强调加强结构水平刚度的情况下，将导致结构水平地震反应急剧提高。

经过地质评估，整个电厂项目按8度(0.3g)地震设防，工程在抗震设计中采用了菲律宾建筑规范NSCP计算，结构抗震计算采用振型分解反应谱法。中国的《建筑抗震规范》[7]在相同参数下反应谱峰值略低于菲律宾规范，但在结构自振周期超过0.8 s后两者基本相等，见图3。

注：菲律宾地震规范设计地震动采用50 a重现期10%超越概率地震，相当于《建筑抗震规范》的第二水准地震(设防地震)，为方便对比，图中中国规范所表示的即设防地震反应谱。

图3设计反应谱曲线

通过对地震反应谱的分析，选择的全直桩码头结构在模态分析中前三阶振型自振周期在1.8～2.1 s，整个码头结构具有较好的柔性，地震反应相对较小。

本工程引桥岸侧墩台上设高架廊道，抗震设计中对高架廊道采用整体建模计算，考虑整个结构体系的柔性，地震反应下桩身弯矩下降为分别设计、荷载关联情况下的40%，避免人为放大地震荷载，大幅提高抗震设计的准确性。

4.4 全直桩结构在设计荷载下的变形控制

整个码头结构的结构形式在强震和波浪两大控制因素的影响下，全直桩结构变成了整个码头结构设计的首选方案。但全直桩结构在桩基码头结构中属于柔性结构，考虑到本工程码头结构自由高度达到27 m的特点，整个码头结构在外荷载条件下呈现出较大的位移反应，这将对码头的运营安全及外观造成不利影响。

根据以往设计经验，本工程在结构设计中设立两种状态下的位移控制指标：1)对于正常使用工况，设计控制水工结构顶位移限值为30 mm;2)对于极端工况，设计控制水工结构顶位移为结构自由高度的1/300(本码头为90 mm)。同时为了保证结构位移的准确性，码头桩基模型采用m法反力模型，并在模型中考虑灌注桩入土段缩径10 cm以及桩身钢护筒刚度的影响，在设计过程中发现桩身钢护筒对桩基模型刚度贡献值较大，故要求钢护筒按永久工程标准进行涂装，更加有利于变形控制。

码头建成后，运营过程中使用情况良好，位移控制良好，人员通行及设备操作状态均属正常。

4.5 火山集块岩地质下的桩型选择

本工程属于火山地质，土层主要为火山集块沉积岩，但在早期地质报告中土层曾被定为砾石、卵石、孤石混砂砾(由于火山喷发的随机性导致历次沉积的火山集块岩粒径及胶结强度不均匀)，并推荐采用重型钢管桩基础。进行补勘后，通过取芯判别土层为火山集块沉积岩，特别是集块岩中的安山岩部分强度高，且呈多层透镜式分布。

鉴于地质类型对于桩基方案的重要性，结合补勘资料，判断现场地质为火山喷出物沉积胶结成岩，整体强度不高，但混有大量粒径在0.8～1.0 m的安山岩岩核，基于此最终选用冲孔灌注桩作为设计桩型，并推荐振动锤下沉桩身钢套筒施工方案，现场施工反馈良好。

5 结语

1)中、菲规范体系下，码头结构设计差异主要在抗震设计，菲律宾规范体系以美国规范为主，港口特有的船舶、波浪荷载计算主要参照日本OCDI规范。

2)极端大浪情况下，减少或避免纵梁体系的受浪面积是结构设计的关键，在此情况下设置下层系靠船平台能兼顾码头功能。

3)强震地区全桩码头结构具有良好的结构整体柔性，且能够兼顾大浪的波浪荷载，是大浪、强震区域码头结构选择的最佳方案，使用工况下全直桩码头的结构位移控制能够兼顾抗震要求与使用要求。

4)码头使用情况良好，工程设计方案的选取及技术要点对同类境外工程具有一定的借鉴作用。