已建系缆墩结构承载力评估方法研究

张嘉泰，张骏珂

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.天津临港威而豪石化码头有限公司，天津 300452）

0 引言

在经济稳步发展的大背景下，为储备吞吐能力，码头泊位往往将系缆更大吨位船舶纳入设计工况，方便以后对该泊位进行释能升级的改造。依据JTS 304—2019《水运工程水工建筑物检测与评估技术规范》[1]的要求，进行升级改造的码头泊位需重新进行安全性、适用性、耐久性的评估。对高桩墩式结构而言，安全性评估是以子单元为单位对各类构件进行承载力的计算，其中桩基础是高桩墩式结构进行改造升级时重点关注的单元，桩的承载能力直接影响高桩墩式结构的整体承载能力。

通常高桩墩式结构整体承载力应根据检测结果、竣工资料以及原勘察设计等文件确定，若存在评估资料缺失的情况则需进行专项勘察、检测工作。在判定结构承载力的方法中，原型试验是在实际结构上进行，比任何模型试验或分析计算都更接近于结构的实际情况，具有很强的直观性和说服力。然而适用于检测码头结构整体承载力的原型试验方法，目前行业内尚缺乏足够的成功应用的案例。国内不少学者对高桩码头竖向承载力的原型试验方法进行了研究，其中翁友法等[2]采用堆载加载的方式进行荷载试验，监测重点构件的位移和应变；孙熙平等[3]在不破坏码头现有上部结构的基础上进行了原位堆载试验并结合数值模型计算手段确定了码头的基桩竖向承载力；侯建飞等[4]采用原位堆载试验为高桩码头预留结构可否继续使用提供判定依据。上述原型试验均采用试块堆载方式加载，并参考了JTJ 237—2017《水运工程地基基础试验检测技术规程》[5]中关于单桩轴向抗压静载荷试验的加载、卸载终止条件。目前，检测单桩水平承载力的方法为单桩水平静载试验，该方法通过在自由端桩顶施加水平荷载，测量桩的水平位移来确定试验桩的水平极限承载力，推定水平地基反力系数，已在工程中得到广泛应用[6]。但关于高桩墩式结构水平承载力的原型试验实例和研究极少，确定高桩墩式结构整体水平承载力的原型试验，缺乏普遍认可的试验步骤和判定标准。

本文以天津港某已建预留系缆墩的承载力判定过程为例，根据现场实际情况，采用有限元软件对系缆墩进行了仿真模拟，计算最不利工况及破坏荷载预估值，并根据数值计算结果制定了系缆墩承载力原型试验的分级及控制标准。同时，设计了原型试验的加载和观测方式，为高桩墩式结构整体的承载力的判定提供了一种解决思路。

1 工程概况

天津港某高桩码头在建设时预留一系缆墩为泊位整体释能升级作承载能力储备，现码头泊位存在释能升级需求，应对该系缆墩的系缆能力进行评估。由于该预留系缆墩自建成起一直未投入使用，缺少定期的检测维护，构件材料和土体的特征变化可能导致结构整体承载能力变化。此外，该项目还存在部分资料缺失情况，仅凭原设计资料对该结构的现有状态尤其是桩基承载力进行核算缺乏说服力。综合考虑上述原因，决定采用数值计算结合原型试验的方法为预留系缆墩的承载能力评估提供可靠依据。

预留系缆墩于2014 年建成，水工结构按10万吨级油船设计。系缆墩为高桩墩台的结构形式，墩台长13 m、宽11 m、高2 m，墩台面的东北、西北角分别布置1 个1 000 kN 快速脱缆钩和1 个1 000 kN 系船柱，墩台下方布置16 根壁厚16 mm的φ800 mm 钢管桩，桩长为38～39 m，桩顶高程为4.10 m，桩底高程-32.9～-33.16 m，管桩钢材为Q345，墩台混凝土为C40，结构安全等级为二级，系缆墩布置图如图1 所示。

图1 系缆墩布置图（mm）Fig.1 Layout drawing of mooring pier（mm）

进行原型试验前，已对系缆墩钢管桩和墩台进行了外观、实体、测量等检测，未发现结构构件存在明显的损伤及不满足使用要求等情况，依据规范[1]评定该系缆墩结构的适用性和耐久性均为A 级。

2 数值建模计算

试验系缆墩为高桩墩式结构，其下部钢管桩布置方式复杂，宜建立空间模型计算，此次结构承载力的计算采用有限元软件SAP2000 进行。

模型的桩土相互作用关系采用“m 法”，该理论将基桩的入土部分视为放置于弹性地基中的竖向基础梁，m 值则为桩侧地基土的水平抗力系数随桩身入土深度增加的综合比例系数，是反应桩土相互作用的重要参数，对结构内力计算的准确性影响很大。该方法相较于假想嵌固点法在高桩码头结构的内力计算中精度相对较高[7]。

2.1 模型参数

使用具有结构分析功能的有限元软件SAP2000对系缆墩进行三维建模（见图2），墩台和钢管桩的尺寸、位置及材料特性等参数根据实际情况设定。桩顶插入混凝土墩台，采用刚性连接，土体对桩的约束通过在各土层中点及桩底端建立土弹簧[8-9]实现。各土层的弹簧刚度按JTG 3363—2019《公路桥涵地基与基础设计规范》[10]中的公式计算：

图2 系缆墩模型Fig.2 Mooring pier model

式中：hi为各土层厚度，m；b0为桩的换算宽度，m，取1.2 m；mi为各土层地基土水平抗力系数随深度增长的比例系数，kN/m4；zi为各层土的中心到地面的距离，m。

模型的土层分布情况、m 值及换算的弹簧刚度值见表1，土体泥面标高为-14.0 m。

表1 土层分布Table 1 Soil layer distribution

2.2 计算工况

为评估该系缆墩的系缆能力，需计算其在最不利工况下能否承受施加在快速脱缆钩或系船柱上的1 000 kN 的设计系缆力。因此，根据系缆墩的实际系缆情况，将系缆力标准值取为1 000 kN，作用于快速脱缆钩。

系缆墩的永久荷载为：结构自重；可变荷载主要包括系缆力和波浪力。系缆力方向沿水平和垂向分解为α、β，共验算6 个方向：α=0°（垂直前沿）、45°、90°；β=16°、2°，其中β 为设计船型（10 万吨油船）分别在极端高水位（5.88 m）和极端低水位（0.50 m）满载吃水时高度对应的系缆夹角。波浪力作用于管桩正向和墩台底部托浮，按极端高水位时的设计波浪要素：H1%=2.60 m，T=4.9 s。

将系缆墩的永久荷载与可变荷载进行组合，验算工况如表2 所示。

表2 承载能力极限状态下的持久组合工况Table 2 Endurance combined working conditions under ultimate bearing capacity limit state

2.3 安全性评估结果

计算各工况下墩台及钢管桩的作用效应组合设计值，包括：墩台应力、压桩力、拉桩力、对应桩身弯矩以及桩身最大应力，将计算结果与抗力进行对比，得到结构整体的安全系数K，如表3 所示。

表3 评估计算结果Table 3 Evaluate calculation results

钢管桩单桩的轴向承载力依据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[11]中的土层推荐值计算得到：单桩抗压承载力设计值为3 283 kN、抗拔承载力设计值为2 556 kN。

系缆墩的数值计算结果表明，系缆力为1 000 kN 时，各子单元均未发生损坏，结构整体的安全系数最小值为1.12。安全性评估等级为A，满足极限承载力的要求。

3 原型试验

3.1 试验概况

为验证数值计算结果的可靠性，采取了现场原型试验的方法对系缆墩进行拉力测试，模拟船舶作业时的系缆状态，现场试验照片见图3。

图3 试验现场图Fig.3 Photos of the test site

3.2 难点分析

本次针对系缆墩进行拉力试验主要存在以下3 个关键问题：

1）反力系统搭设，系缆墩距码头平台较远，若采用对拉方式施加反力，则存在较大安全隐患，若就近架设反力梁，则需重新打桩，成本过大。

2）观测系统搭设，对结构位移进行观测需架设基准梁，同样存在成本过大的问题。

3）结构安全性，对既有结构进行原型试验，首要考虑保证结构不被破坏，因此需制定合理的试验荷载。

3.3 试验方法

综合考虑上述因素，对试验方法进行如下设计：

1）加载方法采用拖轮通过缆绳拖拉墩台面上具有测力功能的快速脱缆钩实现。

2）观测方法采用具备点位追踪功能的MS60自动测量机器人连续测量墩台面上的点位位移。

3）试验荷载值为600 kN，荷载方向为α=0°、β=2°（α、β 分别为沿水平和垂向夹角），采用单向单循环水平维持荷载法，加载时每级以0.2 倍的试验荷载加载，卸载时取2 倍加载级。

拖轮加载是采用动荷载模拟静荷载，每级加载需等荷载值稳定后再进行读数，因此，制定读数方式为：在试验开始后，对测点进行频率为10 s/次的连续测读，同时记录快速脱缆钩的拉力示值，每荷载级的持荷时间为5 min。

试验过程中符合下列条件之一时，可终止试验加载并进行分级卸载：1）达到试验荷载；2）某级荷载作用下，墩台顶部水平位移急剧增加、位移速率明显增大；3）钢管桩桩身出现断裂或墩台出现损坏。

3.4 试验内容

以墩台面观测点的水平位移为控制参数，本次试验共设置4 个测点分别位于墩台面的4 个角点处，命名为D1—D4，测点编号及位置示意图如图4 所示，图中θ 为位移方向角，逆时针为正。

3.5 试验结果

试验采集的原始数据为测点的坐标值，将数据进行计算处理，得到各测点在试验过程中的总位移变化曲线如图5 所示。

由分析过程中的位移曲线可知，拖轮加载的特征为：加载阶段时荷载值与位移值会出现较大波动，随后船体达到平衡状态，在持荷阶段荷载值与位移曲线趋于平稳，在一个小区间内波动，此时可近似视为静持荷状态。

提取各测点在每级加载下稳定持荷阶段的位移值，剔除波动偏离较大的数据后，取平均值作为该荷载级的位移代表值（见图5），结果见表4。

表4 各级加载试验结果汇总表Table 4 Summary of loading test results at different levels

3.6 试验结论

从试验结果看出，测点位移曲线呈现明显的“阶梯状”，与荷载级的加载、持荷时间对应，且持荷过程位移也较为稳定。试验过程未出现某级荷载位移明显增大情况，说明系缆墩结构和桩周围土体基本处于弹性阶段。试验结束后，对各钢管桩及墩台的外观进行了排查，未发现损伤部位。

为分析数值计算结果的准确性，同时验证试验数据的可靠性，根据试验工况建立模型，计算参数与评估模型一致，仅按照试验步骤分级施加系缆拉力。各荷载级下的数值计算结果与实测位移代表值对比图见图6。

图6 实测位移与数值计算位移对比图Fig.6 Comparison diagram of measured displacement and numerical calculation displacement

从图6 可以看出，试验过程中，各测点的实测值与计算值基本吻合，加载至600 kN 时，位移值最大差距不超过7%。同时，数值计算也验证了试验结果的可靠性，证明了试验设计的合理性。

4 结语

本文针对预留系缆墩结构的承载力评估提出了一种经济、可靠的论证方法，即采用有限元软件对结构进行安全性计算，并根据原型试验结果验证数值计算的准确性。

为解决系缆墩原型试验中搭设加载、观测系统困难的问题，设计了以拖轮加载、采用测量机器人MS60 观测位移的方法。试验结果显示，系缆墩在持荷阶段的位移较稳定，可近似当作静态位移。提取各测点的位移代表值与数值计算结果相对比，发现计算结果与实测数据基本吻合，证明了数值计算结果的准确性，同时也验证了试验设计的可行性和试验过程的可靠性。可为类似工程提供借鉴实例。