離岸深水港口建設關鍵技術研究課題之五

1、離岸深水港口建設關鍵技術研究課題之五離岸深水港碼頭重力式復合結構和嵌巖樁結構關鍵技術研究報告簡本1.課題研究的意義本課題研究依托大連新港新建30萬噸級（兼靠45萬噸）進口原油碼頭工程、中石油大連LNG項目碼頭工程和寧波港北侖港區(qū)五期集裝箱碼頭工程，研究內(nèi)容涵蓋了離岸深水港碼頭建設的多個關鍵技術問題，十分具有代表性。本課題研究的意義如下：1.1本課題是滿足船舶大型化、解決岸線資源緊張的需要我國國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，引發(fā)港口建設新的高潮。港口運輸能力已不適應日益繁忙的國內(nèi)外運輸需要。目前，沿海港口運輸總能力缺口達5億噸，與2015年需求相比，缺口約20億噸以上，為此，迫切需要加快離岸大型深水港口

2、建設。然而目前我國港口布局不盡合理，港口雖多卻缺少大型深水碼頭，易開發(fā)的近岸岸線資源已基本開發(fā)使用殆盡。岸線資源是不可再生的，迫切需要尋找新的岸線資源。1.2碼頭離岸化、深水化迫切需要新型結構型式大連港作為中國東北地區(qū)最大的出?？诤痛筮B建設東北亞重要的國際航運中心的重要基礎和支撐，其大窯灣港區(qū)是國家重點開發(fā)建設的國際深水中轉港之一，遠期規(guī)劃建設約40個大型深水泊位。同時沿海營口港、唐山港、青島港、日照港、連云港港、上海洋山港區(qū)、寧波-舟山港、湛江港、廣西北部灣港等亦正在加大大型散貨碼頭的投資力度。這些港口的建設迫切需要新的結構型式，重力式復合結構和嵌巖樁結構是可供選擇的很好的結構型式。1.3是

3、提高我國建港技術水平、促進我國建港技術進步和創(chuàng)新的需要積極開展離岸深水港碼頭重力式復合結構和嵌巖樁結構關鍵技術研究，將成果直接應用于國家重大港口工程建設，達到規(guī)避工程建設風險、優(yōu)化方案、節(jié)約投資、加快建設速度的目標。這對于加快全國沿海港口工程建設，提高我國整個港口工程建設的技術水平，節(jié)省工程建設投資亦具有重要的意義。2. 國內(nèi)外研究概況2.1國內(nèi)、外已有大型開敞式碼頭結構型式2.1.1國內(nèi)開敞式碼頭結構型式國內(nèi)大型開敞式碼頭按結構型式分類主要有以下幾種：1）樁基結構型式 一般斜樁結構國內(nèi)應用最廣泛、最成熟的結構之一。 全直樁結構2）重力式結構2.1.2國外開敞式碼頭結構型式1）國外大型開敞式樁

4、基碼頭結構型式 全直樁碼頭結構分為柔性結構和半柔性結構。柔性結構保持各樁均勻承受水平力而頂部不承受彎矩；半柔性結構樁群上部采用剛性連接，樁頂部承受彎矩。 導管架結構該結構具有整體性好、承載力大、抗風浪性能好、便于施工的特點。在日本、歐洲應用較多。 一般斜樁結構適應于海底覆蓋層適中，用打樁船即可沉樁的地質(zhì)條件，常見于25萬噸級以下碼頭。2）復合結構 樁基-重力式復合結構該種結構型式在國外大型開敞式碼頭中得到較廣泛地應用，是一種很有發(fā)展前途的新型結構。 重力式-桁架復合結構國外還較少采用。3）重力式結構國外25萬噸級以上碼頭較少采用重力式結構。2.2國內(nèi)、外大型開敞式碼頭施工方法國內(nèi)已有施工方法1

5、）樁基施工國內(nèi)開敞式大型樁基碼頭施工主要采用打樁船施工。我國現(xiàn)有打樁船有效起吊能力120噸左右,最大沖擊能量為533千牛·米左右,打樁船所能施打的合適鋼管樁2000mm以下。國內(nèi)大型鉆機或者沖擊鉆成孔，孔徑可達3000 mm。2）大型構件施工近年國內(nèi)已有起吊能力達7500噸的起重船，但數(shù)量十分有限。大型預制構件重量一般控制在500噸以內(nèi)，海上樁基橋墩已出現(xiàn)整體吊裝施工工藝。2.2.2國外施工方法1）樁基施工 打擊法沉樁打擊法沉樁適合海底有合適覆蓋層厚度地質(zhì)條件的港址。目前，該沉樁方式應用最普遍。 挖孔或沖孔栽入樁 鉆孔嵌巖法嵌巖樁結構受力合理，施工速度快，造價低，在國外得到廣泛應用。

6、國外已有鉆孔直徑達7m的旋轉式鉆機；沖擊鉆機已能沖擊成直徑3-5m、深40m的孔。 鉆打結合法2）大型構件施工自航式旋轉臂架起重船使用靈活方便，但結構復雜，費用高；非自航式固定臂架起重船使用較不方便，但結構簡單，費用低。世界上起重船最大起重能力已達萬噸以上。2.3國內(nèi)開敞式碼頭設計、施工中存在的問題設計存在的問題1) 結構型式方面 碼頭結構型式國內(nèi)開敞式大型深水碼頭絕大多數(shù)為重力式結構和斜樁結構，少數(shù)為全直樁結構，結構型式比較單一。 上部結構國內(nèi)大型碼頭上部結構一般采用梁板結構，該結構僅梁板采用預制安裝，樁帽和節(jié)點采用水上現(xiàn)澆施工，現(xiàn)澆量仍較大。目前國內(nèi)采用打樁船沉樁，在開敞海域施工沉樁偏位很

7、難控制，給上部結構采用陸上整體或分塊預制、水上吊裝的施工方式帶來了較大困難。 嵌巖結構國內(nèi)嵌巖結構在中小型碼頭中應用較多，在開敞海域大型碼頭中應用經(jīng)驗不足。2) 材質(zhì)目前，高端高強度鋼仍需進口，價格昂貴。而我國廣泛應用的低合金鋼強度明顯偏低。3) 計算理論、方法、手段國內(nèi)復合結構計算模式、方法方面還是空白。4) 碼頭面高程的確定現(xiàn)行開敞式碼頭面高程的確定方法僅適用于正向浪作用下透空的樁基梁板結構，不適用于斜向浪、波流共同作用下的樁基結構、重力式結構和復合結構。施工存在的問題1) 樁基施工國內(nèi)用打樁船沉樁存在的主要問題是起吊能力偏小、錘擊能量不足及沉樁樁徑受到較大限制；鉆孔沉樁存在的主要問題是設

8、備可靠性較差、施工效率較低。2) 上部結構施工大型起重船數(shù)量相對不足，整體預制安裝技術及分塊拼接技術與國外都有較大差距，缺乏適應于外海開敞海域施工的海上大型升降平臺。3.主要研究內(nèi)容及關鍵技術3.1 主要研究內(nèi)容專題一：重力式復合結構結構型式及計算方法研究1) 大型深水碼頭新型重力式復合結構型式研究。2) 重力式復合結構靜力、動力計算分析。3) 波浪對重力式復合結構作用力研究。4) 重力式復合結構施工技術研究。專題二：嵌巖全直樁碼頭結構型式及計算方法研究1) 波浪、水流共同對高樁碼頭上部結構的作用。2) 波浪荷載作用下碼頭上部結構動力響應計算分析。3) 嵌巖樁的承載性狀及計算方法研究。4) 水

9、平力作用下全直樁碼頭結構靜力簡化計算。5) 全直樁碼頭結構溫度內(nèi)力計算分析。6) 全直樁碼頭結構動力計算對比分析。7) 嵌巖樁構造與施工方法。8) 拱式縱梁碼頭新型碼頭上部結構型式的研究。專題三：重力式復合結構碼頭面高程確定方法研究理論分析主要包括：1) 重力式復合結構波峰面高度變化影響因素研究。2) 面板底部所受波浪上托力的影響因素研究。3) 水下沉箱受力影響因素研究。模型試驗主要包括：1) 不同條件下，波峰面高度的測定。2) 不同條件下，下部結構（沉箱）所受波浪力計算方法。3) 不同條件下，碼頭面板所受波浪上托力計算方法。3.2 關鍵技術專題一：重力式復合結構結構型式及計算方法研究1) 提

10、出了重力式復合結構碼頭新型結構方案。2) 提出了重力式復合結構上部鋼管樁與下部沉箱結構的剛性連接細部結構。3) 提出了重力式復合結構上部樁基與下部沉箱結構的合理分界位置。4) 提出了重力式復合結構的計算方法。5) 提出了重力式復合結構陸上預制、水上浮運、水上定位安裝的施工工藝。專題二：嵌巖全直樁碼頭結構型式及計算方法研究1) 根據(jù)試驗資料的統(tǒng)計分析，分別擬合得到了任意方向波浪、水流共同作用下，離岸式和斜坡接岸式高樁碼頭總上托力的計算公式。2) 根據(jù)試驗資料的統(tǒng)計分析，擬合得到了任意方向波浪、水流共同作用下高樁碼頭前沿波峰面高度的計算公式。3) 通過對波浪荷載作用下碼頭上部結構動力響應計算分析，

11、表明波浪產(chǎn)生的高頻沖擊壓強對面板整體結構的影響不大，面板位移響應小于靜力計算結果。4) 對水平力在橫向排架中分配系數(shù)計算方法進行了改進。結合全直樁結構特點，提出的3維剛性平臺下樁系結構的分析方法，可進行基樁的水平受力分析及合理確定水平力在橫向排架中的分配系數(shù)，彌補了現(xiàn)行高樁碼頭規(guī)范的不足。5) 上部結構封合后整體溫差內(nèi)力空間簡化計算方法。6) 平動扭轉耦聯(lián)振型組合法在碼頭結構動力分析中應用。7) 嵌巖樁計算方法的研究。8) 嵌巖樁上端嵌固細部構造與下端嵌巖細部構造研究。專題三：重力式復合結構碼頭面高程確定方法研究1) 通過理論分析和模型試驗，提出單個和多個重力式復合結構單元波峰面高度及碼頭面板

12、所受波浪上托力半經(jīng)驗計算公式，下部結構（沉箱）所受波浪力半經(jīng)驗計算公式。2) 提出了重力式復合結構碼頭面高程的確定方法。4. 研究工作實施方案4.1課題技術路線本課題總體研究的技術路線為：收集、分析、研究總結國內(nèi)外大型開敞式碼頭結構型式、計算方法、施工經(jīng)驗深入研究重力式復合結構、嵌巖全直樁基結構施工方法開展針對性研究重力式復合結構碼頭面高程確定方法重力式復合結構嵌巖全直樁結構靜力和動力計算方法波浪、水流共同對重力式復合結構、嵌巖全直樁上部結構作用力依托工程中應用重力式復合結構、嵌巖全直樁結構靜力和動力計算方法，波浪、水流共同對兩種結構的作用力，碼頭面高程確定方法等普遍性研究編寫總報告審查、驗收

13、推廣應用4.2研究工作實施方案針對本課題西部交通建設科技項目任務書（合同），制定了詳細的初步研究工作大綱，在廣泛征求有關單位和知名專家意見后，對大綱進行修訂，明確課題研究主要內(nèi)容、關鍵技術和技術路線。研究全過程緊緊圍繞大綱開展工作。研究工作注意充分發(fā)揮建設、設計、科研、高校、施工等單位的優(yōu)勢，并注意保持骨干人員的穩(wěn)定性和比較充足的研究時間。注意各專題研究進度的協(xié)調(diào)，在研究過程中召開多次協(xié)調(diào)會，及時解決有關技術問題，收到良好效果。4.3依托工程本課題依托工程為大連新港續(xù)建30萬噸級（兼靠45萬噸）進口原油碼頭工程、中石油大連LNG項目碼頭工程和寧波港北侖港區(qū)五期集裝箱碼頭工程。本課題研究的技術問

14、題涵蓋了大型開敞式碼頭建設的多個關鍵技術問題，十分具有代表性。以上三個依托工程均為大型開敞式碼頭工程，且其建設進度與本課題研究的進度相吻合。本課題首先針對依托工程開展了針對性研究，針對性研究得到的中間成果、最終成果在依托工程的初步設計和施工圖設計中得到了應用。4.4試驗與分析本課題針對作用于重力式復合結構和嵌巖全直樁結構的波浪、水流作用力分別進行了試驗研究。重力式復合結構波浪模型試驗主要針對重力式復合結構上部面板、樁基、下部沉箱受力及碼頭前沿最大波峰面高度等研究內(nèi)容進行研究。波浪、水流共同對樁基碼頭作用模型試驗主要研究波浪、水流共同作用下高樁碼頭上托力及波峰面高度的計算方法。5. 主要研究結論

15、5.1專題一：重力式復合結構結構型式及計算方法研究1) 提出了重力式復合結構是一種適用于開敞深水海域的很有發(fā)展前途的新型結構，特別適合水深大于25m、覆蓋層不太厚的巖基和砂性地基地區(qū)。2) 通過結構方案比選與優(yōu)化分析，上部結構采用斜樁結構要優(yōu)于直樁結構，并采用環(huán)形布樁?；诶碚摲治?，給出了重力式復合結構靜、動力計算方法。3) 重力式復合結構上部鋼管樁與下部沉箱結構的合理分界位置確定在極端低水位以下1倍的重現(xiàn)期五十年一遇H1%附近。4) 提出了重力式復合結構的細部構造及施工工藝流程、方法。5.2專題二：嵌巖全直樁碼頭結構型式及計算方法研究1) 通過物理模型試驗研究擬合得到了任意方向波浪、水流共同

16、作用下對離、接岸式高樁碼頭上部結構上托力及碼頭前沿波峰面高度計算公式。2) 通過對波浪荷載作用下碼頭上部結構動力響應計算分析，表明波浪產(chǎn)生的高頻沖擊壓強對面板整體結構的影響不大，面板位移響應小于靜力計算結果。3) 樁側巖體除樁-巖界面的水平抗剪強度，樁前方巖體的極限水平抗力抵抗樁頂水平荷載外，樁-巖界面的豎向摩擦力也有一定的影響。隨著嵌巖樁直徑加大，樁底法向抗力嵌固效應也越來越大。將樁體作為實際塊體進行受力計算，并采用接觸面單元interface模擬樁-巖之間的接觸特性，可以更真實地反映出大直徑嵌巖樁在橫向荷載作用下的受力及變形特性。4) 結合全直樁結構特點，提出了3維剛性平臺下樁系結構的分析

17、方法，可進行基樁的水平受力分析及合理確定橫向排架中水平力的分配系數(shù)，彌補了現(xiàn)行高樁碼頭規(guī)范的不足。5) 得到了上部結構封合后整體溫差內(nèi)力簡化計算方法。隨著全直樁碼頭基樁大直徑化，溫度應力的影響值得重視，應進行校核計算，盡量合理調(diào)整基樁布置，避免結構內(nèi)力受控于溫度內(nèi)力。6) 建立了桿系+剛片模型（基樁+剛性平臺），進行全直樁碼頭平動扭轉耦聯(lián)的3維動力分析，得出的振型頻率、周期以及樁頂內(nèi)力、位移譜分析值與有限元結果接近。課題將時程分析法結果與反應譜法結果進行了對比分析，研究成果可供水運工程抗震設計規(guī)范（JT225）修訂時參考。7) 拱式縱梁結構是一種具有良好力學性能和經(jīng)濟效益，并能適應大跨度要求的

18、新型碼頭上部結構。8) 給出了嵌巖樁上部連接及下部嵌巖的細部構造。5.3專題三：重力式復合結構碼頭面高程確定方法研究1) 通過模型試驗及理論研究，得到了重力式復合結構單墩、群墩波峰面高度、水下沉箱受力及面板波浪力的計算公式。2) 重力式復合結構碼頭面高程確定方法為：用上水標準來控制時，碼頭面高程最大波峰面高程（綜合富裕高度）；當允許碼頭上水和面板受力時，可根據(jù)本次研究得到的碼頭面板波浪上托力經(jīng)驗公式對碼頭面板進行受力估算，最后根據(jù)設計實際情況確定碼頭面高程。計算時，設計水位采用設計高水位，波浪要素視上水嚴格控制程度取重現(xiàn)期為10年、25年的H4%波浪要素。5.4離岸深水港碼頭重力式復合結構與嵌

19、巖全直樁結構設計手冊本課題系統(tǒng)提出了重力式復合結構與嵌巖全直樁結構計算方法，并在此基礎上結合國內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定，借鑒國內(nèi)外已有的工程設計實例、模型試驗和經(jīng)驗，根據(jù)各自設計、施工特點編寫出了兩種結構型式的設計手冊，提出了詳細可行的成套設計方法，并提供了算例。5.5研究成果的技術水平本課題主要研究成果要全部達到國際先進水平；其中波浪對重力式復合結構作用力研究，重力式復合結構碼頭面高程確定方法研究，波浪與水流共同對嵌巖全直樁碼頭上部結構作用力研究及碼頭前沿波峰面高度計算研究，靜力、動力和溫度應力作用下嵌巖全直樁結構碼頭簡化計算方法研究等成果全部達到了國際領先水平。6. 課題的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益及推廣

20、應用前景6.1經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益本課題可解決依托工程重大技術問題，針對依托工程，預計可節(jié)省水工建筑物工程投資6%左右,復合結構縮短施工工期10%左右，并且使碼頭結構更安全、可靠，且更方便使用。本課題的研究為重力式復合結構、嵌巖全直樁結構在依托工程中的應用提供了有力的技術支持，也為重力式復合結構和嵌巖全直樁碼頭在我國離岸深水港口建設中的推廣應用提供科技支撐，并為今后相關規(guī)范的修訂與制訂提供參考基礎資料，可進一步提高我國在離岸深水港建設方面的技術水平，有著重要的經(jīng)濟效益和社會效益。本研究成果不僅應用于離岸深水港大型碼頭建設，而且可以直接應用于跨海大橋中，具有十分廣闊的市場前景，將產(chǎn)生巨大的社會效