离岸深水码头新型结构型式

离岸深水码头新型结构型式摘要：随着船舶的大型化，船舶的吃水增大，但船舶抗浪稳定性得到提高，泊稳条件要求降低，加之我国现有海岸线深水资源的限制，使得码头的建设正向自然条件更为恶劣的深水地区发展，传统码头结构型式已不能适应要求。为了适应这一趋势，出现了一些新的码头结构型式如：全直桩码头、钢管桁架码头、重力式复合结构码头、插入式大圆筒结构等。本文将简要介绍几种离岸深水码头新型结构型式，并简要介绍波浪与离岸深水结构相互作用的研究现状。关键字：离岸深水，码头，新型，波浪1离岸深水码头新型结构型式码头建筑物是港口的主要建筑物之一，其安全性直接影响着港口的正常运营。近年来，我国航运事业发展迅速，对外贸易繁忙，采用大型船舶具有显著的经济效益。为适应我国水运事业的持续发展和船舶大型化的需要，各地展开了大规模的港口建设。随着船舶的大型化，船舶的吃水增大，但船舶抗浪稳定性得到提高，泊稳条件要求降低，加之我国现有海岸线深水资源的限制，使得码头的建设正向自然条件更为恶劣的深水地区发展。国内应用最广泛、最成熟的港口结构型式主要有重力式、板桩式、高桩式和墩柱式等。但随着码头向深水发展，传统码头结构型式已不能适应要求。近年来，为了适应这一趋势，出现了一些新的码头结构型式。我国陆续建设了一些离岸深水码头。研究开发的码头结构型式主要包括：全直桩码头、钢管桁架码头、重力式复合结构码头、插入式大圆筒结构等。1.1全直桩码头在我国大部分海岸线都存在着深厚的软土层，软土的物理力学指标较差，承载能力较低。这就意味着大部分离岸深水结构的地基为承载能力低的软土地基，因此选择一种适用于软土地基、恶劣波浪条件的离岸深水结构具有很大的现实意义。全直桩结构具有海中部分结构体积小、所受波浪水流力小、结构受力合理、施工也省去了基槽挖泥、基床抛石和夯实等工序、海上作业量小且施工容易、对地基要求低等优点。这些优点对作业天数极少的外海海域施工具有重要意义，因此是软土地基上恶劣波浪条件下适应于离岸深水海域的优良结构型式。国外离岸深水港水工建筑物多采用全直桩柔性结构，的是采用柔性结构。如日本喜入石油基地50万吨原油码头，水深28m，采用全直桩半柔性墩式结构；法国昂蒂费尔50万吨原油码头，水深29m，结构形式采用全直桩柔性结构。国内应用最广泛、最成熟的港口结构型式是重力式结构和一般斜桩结构，全直桩等柔性结构在国内离岸深水结构中应用尚不普遍，还有很大的推广余地。随着抗弯刚度大的钢管桩被越来越广泛的应用，国内港口界不再认为全直桩码头结构仅适用于中小型码头[5]，桩基结构也从完全刚性的斜桩墩台开始向全直桩柔性结构型式发展，但尚缺乏深入的研究工作和设计、施工经验。综合分析国内离岸深水结构的应用与研究现状，主要存在以下两方面问题：（1）鉴于全直桩码头等柔性结构的优点，全直桩码头将在国内离岸深水港建设中有很大应用前景，国内对全直桩码头的设计计算方法尚缺乏深入的研究。（2）离岸深水结构所受波浪、水流、船舶荷载具有明显动力性质，应按动力方法进行结构的设计计算。但国内现有规范多为静力设计计算方法，对于离岸深水码头结构的动力计算及结构可靠度计算等方面的研究较少，适用于工程实践的动力计算方法亟待建立。（3）位于开敞海域的离岸深水结构所受波浪作用增强，波浪与结构的流固耦合效应不容忽略。但国内对于流固耦合对于桩身波浪力的影响研究较少，建立一种能够考虑波浪与桩基结构的相互作用的桩身波浪力简化计算方法，是工程实践提出的亟待解决的课题。1.2钢管桁架码头研究提出了适合深水、大浪、流急及岩基浅埋条件下的钢管析架码头新型结构。轻型码头结构包括码头上部平台结构、透空式钢管析架主体结构、下部嵌岩结构及相关附属结构。码头上部结构可以为钢筋混凝土结构、钢结构或两种结构的混合形式,主要结构均陆上预制,水上安装、拼接。透空式钢管桁架架主体结构是主要受力体系,直接承受波浪、水流及荷载的作用,同时支撑上部码头平台,由钢管焊接而成。钢管分为主钢管和次钢管,主钢管竖向布置并于地基相连,主钢管受轴力,弯矩均较大,一般采用大直径钢管结构(直径2m以上),必要时可采用钢管混凝土结构:次钢管主要连接主钢管并与主钢管一起形成彬架体系,次钢管一般采用直径和壁厚相对较小的圆钢管;主、次钢管之间通过焊接相连。结构在陆上整体制作,再通过起重船或其他设备运至安装地点。轻型结构码头的下部嵌岩结构为钢管析架主体结构与基岩的连接结构。由于轻型结构码头承受较大的水平荷载,且自身重量较轻,因此其底部嵌岩结构对于码头结构的稳定性十分重要,下部岩基要求为新鲜岩基(微风化以上,中风化需要特别论证)。嵌岩结构的型式可以为混凝土芯柱嵌岩或钢管混凝土芯柱嵌岩,当嵌岩拉力较大时,可以采用嵌岩+锚岩的复合式结构。外海开敞式码头的建设当遇到基岩裸露或基岩覆盖层较浅的地质环境时，一般首选重力式沉箱结构，但该结构码头面较高、水下工程量大、泊稳条件差等不利之处。若采用高桩嵌岩码头结构，则存在施工期需要设置稳桩措施、水下工作量大等不足。因此，在地质条件为基岩的外海码头可以采用嵌岩导管架结构型式，将导管架结构通过嵌岩桩固定在基岩上，这种结构相比传统直桩嵌岩结构具有以下优点：导管架一般在陆地制造，用驳船拖运至井位，由起重机吊放入水中，通过竖向导管打入钢桩将导管架固定在海底。导管架水上安装就位后，可作为桩基嵌岩的施工平台，导管兼作嵌岩桩的套筒。嵌岩导管架码头结构通过增加水平和斜向支撑，减小了桩基的自由长度，从而增加了结构的水平刚度和整体性，使结构受力更加合理。同时水上工程量小，技术风险小。目前，导管架结构应用于码头工程的实例很少。1997年在阿根廷的科罗拉多角曾采用嵌岩导管架结构型式在岩基上成功建造了一座2.5万吨级的散货码头；1973年日本在苫小牧港软土地基以打入式桩基导管架结构型式建设了一座墩式25万吨原油码头。我国在宝钢马迹山扩建工程设计过程中，中交三航院首次提出了嵌岩导管架码头结构方案的设想，程泽坤等人对我国最大的矿石中转港宝钢马迹山30万ＤＷＴ矿石中转港对设计的两种方案嵌岩导管架码头结构方案和直桩嵌岩码头结构设计方案做了对比：导管架是空间框架结构，其整体性刚度较强，这使嵌岩段的计算弯矩较小，占直桩嵌岩方案的17.5％，同时码头最大水平位移也较小，这对外海深水码头的安全带来了明显的好处。另外，水平位移相差那么大的情况下工程造价比较接近，如果两种结构在相同的变位条件下进行工程造价比较，导管架结构的经济优势将更加明显。1.3重力式复合结构码头直桩重力式复合结构结构斜桩重力式复合结构针对传统重力式码头结构自重大,在深水条件下波浪荷载大、工期长、费用高等问题,研发了受力合理、便于施工的新型重力式复合结构,该结构上部透空部分由钢管桩和混凝土墩台组成;下部基础部分为钢筋混凝土沉箱结构,箱内填砂石;上部钢管桩与下部重力基础固接,施工时陆上整体制作,水上一次安装。复合式码头结构形式可根据上部透空桩柱的布置不同分为直桩结构和斜桩结构2种,如图直桩重力式复合结构下部沉箱结构顶部为混凝土或钢筋混凝土实体结构,其中直接固定钢管桩结构的仓格,其上部为钢筋混凝土基础,在沉箱结构预制时同时浇筑;其余仓格的上部为混凝土结构,在主体结构安装就位后水上浇筑;沉箱下部填10一10kg块石。沉箱上全部布置直桩,为保证结构的刚度,钢管桩内灌注混凝土。沉箱与钢管桩形成整体;钢管桩上部由钢筋混凝土墩台连成整体,现场浇筑。它的特点是既减少了所受的大部分波浪力和水流力,施工也较方便,但上部为直桩,桩应力较大,钢材用量较大。斜桩一重力式复合结构下部的沉箱同全直桩`重力式复合结构,沉箱上布置有直桩和斜桩。一般情况下,在前仓布置2根斜桩,倾斜方向平行码头前沿线;在中仓布置直桩;在后仓布置斜桩,倾斜方向垂直码头前沿线。它的特点是既减少了所受的大部分波浪力和水流力,又充分利用斜桩承受水平力,桩柱应力较小,钢材用量较少。2波浪与离岸深水结构相互作用研究离岸深水港建设仍是我国水运工程“十二五”规划的重点发展方向，港口建设近岸或沿岸基础上向深水发展，这就需要解决离岸深水结构的设计计算等关键技术。离岸深水结构一般位于无掩护的开厰海域，受波浪作用严重。同时，由于水深增加，桩柱离岸深水结构的柔度较大，自振周期较长，波浪与结构相互作用下的动力响应等问题突出。风暴潮浪、船舶撞击力等动力荷载作用下的结构响应特性及波浪与结构相互作用特性表现为：（1）风暴潮与风浪相互影响，水位升高，波浪作用增强；（2）由于结构柔性较大，结构在波浪荷载作用下的动力响应增强，结构计算应按动力学问题考虑；（3）波浪作用引起结构运动，同时结构运动也会对波浪力产生影响，风暴潮浪与离岸深水结构相互作用应合理考虑流-固耦合效应；（4）由于水位升高，极端情况波浪将对上部梁板结构产生较大的冲击作用；（5）风暴潮浪荷载作用下，离岸深水结构会发生较大的位移，对结构材料、连接构造、计算内容和设计标准等提出新的要求。综上所述，传统的刚度较大的近岸结构设计理念、设计标准、设计经验与计算方法等已不能完全适用离岸深水结构的设计计算，而目前我国对离岸深水结构的设计计算方法还缺乏深入、系统的研究工作。截至目前，我国绝大多数港口与海岸工程建设采用的结构物刚度较大，自振周期在1秒左右或小于1秒，远小于波浪周期，结构动力响应特性、波浪与结构相互作用等问题不明显。大多所谓波浪与结构相互作用研究要么是研究作用于结构上的波浪力，要么是研究波浪作用下结构的变形、内力和稳定性，不考虑两者之间的相互作用、相互影响。如2010年完成的“十一五”交通科技重大专项《离岸深水港建设关键技术》课题三“风暴潮对港口水陆域及航道安全影响研究”和课题五“离岸深水港码头重力式复合结构和嵌岩桩结构关键技术研究”，主要研究的是风暴潮和台风浪联合作用下高桩码头梁、板的波浪上托力；课题六“离岸深水港波浪-防波堤-地基相互作用问题研究”主要研究的是箱筒型基础防波堤、抛石基床上半圆型防波堤与地基的相互作用，波浪作为荷载考虑，也没有开展（也无必要）实质意义上的波浪与防波堤的相互作用问题研究。从国内外发展现状和我国工程实践看，桩基础是海洋工程中最常用的基础形式，典型的离岸深水结构是柔度较大的桩柱承台式结构，其自振周期达3秒以上，与波浪周期接近，结构的动力响应、波浪与结构相互作用等问题凸显出来。故波浪与离岸深水结构相互作用应按流固耦合问题考虑，才能模拟复杂的实际情况。波浪与结构物的相互作用问题是涉及到流体动力学和结构动力学的跨学科问题，其特征是波浪和结构物的相互作用完全耦合在一起。波浪与结构物的相互作用包括两个方面：（1）结构物受到的波浪力问题以及由此引起的结构物的变形和运动问题；（2）由结构物的变形和运动引起的波浪的非线性变形和结构物附近流场的改变，这两个过程相互影响，同时进行。由于问题的复杂性以及科研水平的限制，大多数情况下，流体动力学和结构动力学分别根据各自的研究侧重点对此问题进行简化：流体动力学多假定结构物静止不动，将结构视为影响波浪运动的已知外部地形条件，只考虑波浪受结构物影响而发生的传播变形、破碎等现象，将“波浪与结构物相互作用”简化为“波浪对结构物的作用”；结构动力学则假定波浪力已知，把波浪荷载作为结构物变形和运动的应力边界，忽略结构物对波浪荷载的影响，将“波浪与结构物相互作用”简化为“波浪作用下结构的动力响应”；再或者采用以上两个假定，交替求解波浪场和结构物的变形和运动，并通过接触边界上的相容条件达到两个求解域的动力耦合，由于以上方法采用这样或那样的假定，因而不是完全意义上的波浪与结构物的相互作用。目前国内外还很少见到考虑波浪与结构物真正耦合作用下结构物动力响应方面的研究。目前研究波浪与结构物相互作用的方法主要有理论解析方法、现场观测方法、模型试验方法和数值模拟方法等：（1）理论解析方法基于线性波浪理论或非线性波浪理论，在一定假设和边界条件下，可以获得基于线性波浪理论或非线性波浪理论，在一定假设和边界条件下，可以获得一些特殊问题的解析解，但随着研究的深入和问题的复杂化，解析方法受到限制，大多数非线性波浪动力学问题目前尚无法得到解析解。（2）现场观测方法通过对