高桩码头结构中欧美日规范对比研究
时间：2023-06-13 21:10:09 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
沈启亮，骆俊彬，许建武
（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）
工程标准作为港口结构设计的基础性，应起到规范和指导作用[1]。为提高我国的港口工程设计标准和规范，除了总结国内近些年的工程经验外，有必要了解国外港口工程建设标准和相应工程经验。
概率理论为基础的以分项系数表达的极限状态设计方法在港口工程界的使用，无论是以英国外代表的国外标准还是中国标准，均是从20 世纪90年代开始的。国际上通用的是美国和欧洲等国家标准，其他很多国家当地标准是基于美欧标准一个体系的，为在境外港口工程中推广中国规范，经常需要采取多种国内外标准进行对比分析[2]。发展到目前，欧美大部分国家及中国的港口工程结构设计理论均已逐步过渡到基于可靠度理论以分项系数为表达的极限状态设计法[3]。从基于经验的安全系数法的旧规范转为以概率论为表达的基于可靠度理论的极限状态设计法，极大的提高了我国港口工程设计标准水平,让我国码头结构设计标准跻身于世界先进之列[4]。
对于国外高桩码头结构计算选用不同标准产生的计算结果差异问题[5]，本文对于同一高桩码头典型断面，采用相同的荷载标准值，通过选用中欧美日规范中的不同荷载分项系数，以及相应规范中的荷载组合。计算了承载能力极限状态与正常使用极限状态（标准组合）下的工况，并且对比分析了应用不同规范下的桩基和上部结构内力的结果。
某高桩码头工程为一座7.5 万t 级散货码头，结构形式为高桩梁板结构。码头面高程为5.25 m，码头前沿水深为-15.6 m。码头结构示意如图1。
图1 某高桩码头结构示意
该码头长300 m，宽30 m，分为100 m 一个结构段，设计使用年限50 年。码头排架间距为9.5 m，桩基采用Φ800 mm 钢管桩和Φ1 000 mm 钢管桩，水工结构按7.5 万t 级散货码头设计。第一排轨道梁下方桩基为Φ1 000 mm 钢管桩直桩，后轨道梁为一对Φ800 mm 斜率为3:1 的钢管桩叉桩，其他3个桩为Φ800 mm 钢管桩直桩。桩端持力层为N＞50击的中密砂层，平均桩长28～30 m。
上部结构为高桩梁板式结构，桩帽高度1.2 m，横梁高2 m，宽1.2 m，桩帽和横梁为现浇结构。轨道梁和面板为预制结构。轨道梁高1.4 m，宽1.2 m。预制面板厚度为450 mm，现浇面层厚度为150 mm，磨耗层厚度50 mm。
系船柱采用200t 系船柱，每隔19 m 间隔布置。橡胶护舷采用SC1450H (R1)鼓型橡胶护舷，吸能大于775 km，最大反力1 294 kN，间隔19 m 布置。
1）地质
码头所在位置原泥面高程约为-7.4～-9.6 m，码头前沿开挖底高程为-17.1 m，后方为-9.6 m。原泥面到-16 m 为标贯小于10 击的粉细砂、粘土质砂，-16～-22.7 m 为标贯小于50 击（大部分约35 击）的粘土，最下层为标贯大于50 击的中粗砂或砾石。
2）波浪
此港区波浪极小，本计算案例不考虑波浪作用。
3）作用标准值
堆载：码头面满布20 kPa 均载。
系缆力：系缆力合力N=1 389.4 kN，其中，平行于码头前沿线方向分力Nx=671.0 kN，垂直于码头前沿线方向分力Ny=1 162.3 kN，竖向力Nz=359.6 kN。考虑两个系船柱受力，间隔4 跨。
撞击力：撞击力考虑两个护舷作用，护舷反力1 294 kN，摩擦系数0.2，相邻两个护舷间隔2 跨。门机荷载：门机包括NIV 600，SIMPORTER 和KANGAROO三种型号，其中NIV 600，SIMPORTER 门机竖向力300 kN/轮，水平力30 kN/轮。KANGAROO 门机前轨轮压为竖向力270 kN/轮和210 kN/轮（视吊臂位置，下同），水平力23 kN/轮和20 kN/轮，后轨轮压为竖向力140 kN/轮和190 kN/轮，水平力12 kN/轮和17 kN/轮。考虑四台门机并列作业，荷载如图2 所示。
图2 某高桩码头门机荷载分布示意
5）有限元模型
结构计算采用通用有限元计算软件ANSYS，面板以SHELL63 单元进行模拟，横纵梁和桩基采用BEAM188 单元进行模拟。桩土水平方向相互作用采用Combin39 单元进行模拟，以P-Y曲线赋予弹簧的力-位移变化特性。模型中桩基的假想计算表面位于码头前沿线原泥面与实际斜坡面交点的中间处，如图3 所示。
图3 护坡结构假想计算表面
土层参数如表1。
表1 土层力学指标参数
模型中材料特性如表2。
表2 材料力学指标参数
有限元模型如图4、图5。
图4 高桩案例有限元模型断面示意
图5 高桩案例有限元模型整体示意
结构极限状态设计表达式应根据各种极限状态的设计要求，采用有关的作用代表值、材料和岩土性能标准值、几何量及各种分项系数等表达。
根据各国标准，本节列出本案例所考虑的荷载组合工况。其中欧标工况与国标工况为承载能力极限状态与正常使用极限状态（标准组合）下的持久工况，日标工况为基于可靠度的分项系数法，美标工况为载荷及抗力系数法（LRFD）方法与允许应力法（ASD）。各荷载缩写如下：
DL-自重；
HL-堆载；
ML-系缆力；
BL-撞击力；
CLH-门机风荷载；
CLV-门机荷载-仅竖向力。
1）中国标准
根据《JTS 167-2018 码头结构设计规范》[6]的相关规定，本案例的设计工况组合如表3 所示。
表3 按中国标准设计工况组合
2）欧洲标准体系
根据《BS 6349-1-2-2016 General -Code of practice for assessment of actions》[7]中的英标的相关规定，本案例的设计工况组合如表4 所示。
表4 按欧洲标准设计工况组合
3）美国标准
根据《UFC-DESIGN: PIERS AND WHARVES》[8]的相关规定，本案例的设计工况组合如表5 所示。
表5 按美国标准设计工况组合（LRFD）
4）日本标准
根据《OCDI-2009 日本港口工程规范》[9]的相关规定，本案例的设计工况组合如表6 所示。
表6 按日本标准设计工况组合
根据各国港口工程标准，针对高桩码头案例进行受力计算。
分析计算结果，以国标JTS 为基准，从桩力的结果可以看出，美标的计算值比国标JTS 大10 %左右。欧标EN 较中标JTS 比较接近，欧标的计算值比国标JTS 小5 %左右。日标OCDI 桩力偏小，比国标大约小25 %。从码头上部结构的内力也可以看出国标JTS 和美标UFC、欧标EN 的结果比较接近。以承载能力极限状态为例，横梁内力美标和欧标相比国标差距在10 %以内，纵梁内力美标和欧标差距在6 %以内。相对来说，日标OCDI 计算结果要比国标偏小，承载能力极限状态日标偏小20 %左右。
通过对于国标和欧标工况的承载能力极限状态与正常使用极限状态（标准组合）的计算，以及美标LRFD 和ASD 工况以及日标分项系数法的结果。从桩力的结果可以看出国标和美标较为接近，欧标较中标美标偏小一点但也比较接近，日标桩力偏小。这是因为国标、欧标、美标各个荷载分项系数有所区别，但综合分项系数较为接近，所以桩力结果差别不大。日标的分项系数相比中美欧标较小，因此桩基内力也偏小。从码头上部结构的内力也可以看出国标和美标的结果比较接近，欧标也差别不大。相对来说日标计算结果要偏小，日标因为未明确承载能力极限状态和正常使用极限状态分项系数，计算结果只是列了与其他标准的承载能力极限状态对比。
在实际国外项目工程设计中，用的比较多是欧标，欧标中结合具体的项目用到欧标体系中的英标最为常用。英标规范BS6349 中设计对象与港工相关的类型是STR/GEO，STR 的情况是结构或其组件的内部失稳或过大变形，包括如浅基础、桩基和地下室墙体，结构材料的强度对提供抗力的作用明显。GEO 的情况是地基失稳或过大变形，土或岩石对提供抗力的作用明显。美标中常用的规范有ASCE、API 以及美国高速公路规范，API 常用来验算桩基承载力和欧标的tomlinson 方法进行校核。日标OCDI 在国外项目高桩结构设计中应用较少，主要是用到一些设计输入的荷载计算。
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