重力式码头结构设计中国标准与欧洲标准的差异探讨

刘成军，谢贤举

（中国港湾工程有限责任公司，北京100027）

引言

喀麦隆克里比深水港二期项目地处喀麦隆境内、东南部省会克里比市南面,西临大西洋。本工程码头设计为1 个70 000 t 级集装箱泊位（结构按 100 000 t 级预留）和1 个100 000 t 级集装箱泊位，码头长度715.5 m。本项目为政府框架EPC 总承包项目，EPC 合同中规定水工结构的设计优先采用中国规范，而喀麦隆受法国影响深远，普遍采用欧洲标准体系，业主和咨工对中国规范不了解，在设计报批的过程中遇到很大的阻力，为了让业主接受中国标准，故对码头主体结构展开了中国标准与欧洲标准的对比工作。

1 中标与欧标设计原则概述

中标（中国标准，下同）以承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计，采用最不利的荷载作用方式来限制变形,防止产生很大的位移冲击周围的结构。

欧标（欧洲标准，下同）的设计准则为符合最终极限状态强度的规定,和使用极限状态下的变形要求。

荷载效应组合选用在中标和欧标设计中有很大的差别。中标设计采用最不利的荷载效应组合，而欧标有三种设计方法各有不同，第一种方法是Design Approach 1 采用的岩土参数分项系数法，第二种方法是Design A pproach 采用的荷载和抗力分项系数法，第三种方法是Design Approach 3 采用的材料分项系数法，三种方法方法采用不同的荷载组合。一般采用第一种方法进行设计，而该方法又可分为Combination 1 和Combination 2。

当前设计的主要方法为以概率论为基础,以分项系数表达的极限状态设计法。关于分项系数中标和欧标的规定有一些不同，其中中标的荷载分项系数、结构重要性系数和抗力分项系数，将公式归纳为荷载效应项和抗力项，这与Eurocode 7 中的Combination 1 基本一致，只是系数大小取值不同，而Eurocode 7 中的Combination 2 不仅采用了荷载与抗力分项系数，同时还引入了土体参数的折减系数。

2 中标与欧标条文对比

本项目码头计算时需要考虑的主要荷载包括自重、波浪力、系缆力、剩余水压力、均载及其产生的土压力、填料土压以及门机荷载，主要验算的内容有主体结构沿基床顶面与底面抗滑、基床顶面主体结构抗倾稳定性，基床应力、地基承载力以及整体稳定性验算。

对于持久状况的组合系数，中标所有非主导可变作用的组合系数都取为0.7，而欧标中波浪力组合系数为0.6，均载为0.7，门机荷载为0.75。

3 荷载计算条文对比

自重、均载以及门机荷载计算结果与规范无关，在此不作对比，现主要从其他几种荷载为切入点进行分析。

3.1 波浪力

1）依据《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015）第10.1.1 条，波浪对直墙式建筑物的作用，通过判定墙前波浪形态，采用第10.1.2 条～10.1.9 条中的相关规定进行计算。经判定本项目波浪形态应采用第10.1.3 条与10.1.4 条计算[1]。

第10.1.3 条规定：

波峰：

波谷：

第10.1.4 条规定：

波峰：

波谷：采用与第10.1.3 条规定相同计算公式。

2）根据欧标EN BS 6349-1 第39.4.2 条中对于波浪力计算的说明，只有波峰作用的计算方法，这与日本标准OCDI 中的规定相同，因此按照OCDI中第5.2.2 条波浪力计算公式计算，该计算体系对立波和破碎波的计算公式并未做区别，而中标是作了区分计算的，同时该计算体系中采用的波高是最大波高HD=1.8H1/3。

3.2 系缆力

1）依据中标《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）第10.2.3 条规定，海船系缆夹角宜根据船舶具体系缆情况确定，连片式码头也可按规范中表10.2.3 采用[2]；

表1 中标与欧标荷载分项系数Tab.1 Chinese standard and European standard load partial coefficient

表2 中标不同水文对应剩余水头Tab.2 The residual head of different water levels according to Chinese standard

表3 欧标不同水位对应剩余水头Tab.3 The residual head of different water levels according to European standard

2）根据欧标EN BS 6349 第7.3 条规定，系缆的水平投影与前沿线的夹角一般为正负四十五度或九十度，系缆与水平面间的角度不大于二十五 度[6]。

经计算，中标计算出的系缆力大小为967 kN，欧标计算出的系缆力大小为1 047 kN，最后均选用2 000 kN 系船柱。

3.3 土压力

关于土压力的计算中标与欧标公式相同，即采用库伦土压力计算公式，但是对于土体摩擦角的规定有差异。

主动土压力系数：

填料土压力：

均载产生土压力：

1）依据《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）的第7.1.18 条，垂直墙背与填料间的摩擦角取填料内摩擦角标准值的1/3，而墙背以上外摩擦角取0[3]。

2）Eurocode7 第9.5 条规定土体与墙背之间的外摩擦角不应超过2/3 的土体内摩擦角，而BS 6349-2:2010 中直接取2/3 土体内摩擦角，且墙背以上外摩擦角等于土体内摩擦角。

图1 欧标BS 6349-2:2010 土体摩擦角取值示意图Fig.1 Schematic diagram of soil friction angle values according to European standard EN BS6349-2:2010

另外欧标中对于土体参数采用了两套方法进行计算，即Combination1 和Combination2，其中前者不对土体进行折减，而后者需要通过规定的折减系数对土体进行相应折减用于计算土压力，折减系数详见Eurocode7 中附录A[8]。

3.4 剩余水压力

中标与欧标剩余水压力的计算公式相同，都是采用两侧静水压力差，但是两种标准对剩余水头的取值方法略有不同。

根据中标《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）第7.1.2 条关于剩余水压力的相关规定，本项目墙后回填中粗砂，剩余水头的标准值取平均潮差的1/4。

欧标EN BS 6349-1 中第13.1 条规定，对于潮汐区无排水，假定地下水位取为（MHWS+MLWS）/2[5]。

图2 欧标EN BS6349-1 假定地下水位示意图Fig.2 Schematic diagram of assumed groundwater level according to European standard EN BS6349-1

3.5 船舶撞击能

1）中标船舶撞击能按照《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）相关规定计算。

船舶靠岸有效撞击能E0根据规范第10.4.2 条按下式计算：

系泊船舶横浪作用下有效撞击能Ewo根据规范（JTS 144-1-2010）附录J 规定按以下公式计算：

对于岸壁式码头，分配在每组护舷上的有效撞击能Ew根据规范（JTS 144-1-2010）附录J 规定按下式计算：

以上公式中各参数意义及取值详见规范（JTS 144-1-2010）第10.4.2 条及附录J，在此不再详述。

2）欧标EN BS 6349-4 第5.2 条规定，对于船舶平行护舷靠泊时，船舶靠泊撞击能采用以下公式计算[7]：

式中:E为船的撞击能（kJ）；CM为船的附加水体影响系数；MD为船的排水量（t）；VB为船的靠岸法向速度(m/s)，靠泊速度根据规范中图9 选取，见下图。

图3 欧标EN BS 6349-4 靠泊速度VB 选取曲线图Fig.3 Design berthing velocity as function of navigation conditions and size of vessel according to European standard BS 6349-4

上图中a 曲线是在良好靠泊与掩护条件下；b曲线是有掩护，但靠泊比较困难；c 曲线是良好靠泊条件，但暴露在波浪或水流条件下；d 曲线是靠泊比较困难，且暴露在波浪或水流条件下；e 曲线是靠泊非常不利，且暴露在波浪或水流条件下。

CE为偏心系数；CS为结构柔性系数；CC为结构形式系数。

对于龙骨下富余深度大于0.1D，船舶附加水体影响系数：

偏心系数：

曲率：

方形系数Cb参考BS 6349-1中表D.2，见表4。

表4 欧标BS 6349-1 方形系数Cb 取值查询表Tab.4 Typical ranges of Cb according to European standard BS6349-1

表5 欧标BS6349-2 滑动力与抗滑力组合计算公式Tab.5 Formulae for combinations of actions according to European standard BS6349-2（Ultimate limit states）

撞击点与船舶质心之间的距离：

对于超过50 000 DWT 的船，船舶靠泊角最大取 6 °；质心与撞击点连线与速度方向夹角γ=90°-α-asin（B/（2R））；一般情况下，柔性系数 CS和结构形式系数 CC均取1.0；根据EN BS 6349-4 第5.1 条的规定，对于连片式岸壁码头应考虑非正常撞击能量，按照正常撞击能的1.5倍考虑。

4 结果验算条文对比

4.1 抗滑稳定性验算

1 ）依据中标《码头结构设计规范》（JTS 167-2018），对岸壁码头，沿底面的抗滑稳定性，要满足规范第7.3.1 条的相关要求。

①不计波浪作用，可变作用产生的土压力为主导的情况下：

②沿胸墙底的抗滑稳定性，不计波浪作用，系缆力为主导的情况下：

③计波浪作用，且波浪力为主导的情况下：

④计波浪作用，堆载土压力为主导的情况下：

2）依据EN BS EN 1997-1,Eurocode 7 第6.5.3条规定，抗滑稳定性验算应满足下式：

滑动力与抗滑力组合计算公式详见EN BS 6349-2 附录A3.3，见下表：

第5.3.7 条规定受力层最大深度：

抗力分项系数一般取2.0～3.0，具体根据建筑物地基土状况，并结合其强度指标的可靠性、结构安全级别等进行确定。

3）欧洲标准依据Eurocode7 第6.5.2 条规定，地基承载力验算应采用以下公式：Vd

4.2 整体稳定性验算

1）土坡和条形基础的地基稳定性验算，依据中标《水运工程地基设计规范》（JTS 147-2017）的第6.3 条，按平面问题考虑，用圆弧滑动简单条分法验算[4]。

危险滑动面应满足规范（JTS 147-2017）规定的以下极限状态设计表达式：

其中：γ'0取1.0，γR查规范表6.4.1 取1.3。

表6 中标与欧标计算对比汇总表Tab.6 Comparison Table of Chinese Standard and European Standard Calculation

荷载分项系数γs采用综合分项系数1.0，利用GEO-SLOPE 软件计算整体稳定性。

2）依据Eurocode7 第11.5 条规定，应对承载能力极限状态（GEO 与STR）计算建筑的整体稳定性，需分别采用Combination1 和Combination2 两种方法计算；各分项系数依据规范附录A3.1 与A3.2 选取，抗力分项系数参照附录A3.3.5 选取，同时参照EN BS 6349-2 附录A3.1、A3.2 与A3.3 相关组合与系数取值。对于Combination1，考虑到自重不利分项系数为1.35，有利分项系数为1.0，需要区分有利与不利，此处为了计算将自重分项系数取为1，其他荷载分项系数均除以1.35，因此安全系数采用1.35；Combination2 安全系数按照表A.5 取为1.0。

各分项系数与土体强度折减系数参照以上规定，采用GEO-SLOPE 软件计算整体稳定性，且欧标计算中一般采用毕肖普法。

5 中标与欧标计算结果对比

通过对喀麦隆克里比深水港二期项目码头结构分析计算对比，可得到如下结论：

1）抗滑安全系数欧标计算结果略低于中标计算结果；

2）抗倾安全系数欧标计算结果高于中标计算结果；

3）基床应力欧标计算结果略低于中标计算结果；

4）地基承载力欧标计算结果高于中标计算结果。

综上分析可以看出，重力式码头结构设计中标的技术要求略高于欧标的要求。