严凯华

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

随着国际间交往的加深，港口建设更是成了我国打通“一带一路”的桥头堡[1]。菲律宾电力超过一半来源于煤电，卸煤码头作为电厂安全运行的可靠保障，只有选择了合适的结构形式、才能更好地提升整体应用价值，增强国际竞争力。本工程位于菲律宾北部，风浪条件恶劣、地震频发，对此环境下码头结构的设计要点进行分析，可为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

本工程位于菲律宾巴丹省，在马尼拉湾的西侧，为2×660 MW电站的配套卸煤码头。码头规模为2个7万t卸煤泊位(泊位总长可满足1艘16万t散货船靠泊或1艘11万t及1艘5万t散货船同时靠泊)，共配置4台桥式抓斗卸船机，设计年通过能力为600万t。

2 结构设计条件

2.1 设计内容

卸煤码头1座，总长510 m，前沿设计泥面高程为-20 m，由1座工作平台、2座系缆墩和人行便桥组成，其中工作平台长340 m、宽26 m、顶高程10.0 m。码头通过引桥与后方陆域相连。

2.2 设计条件

1)设计水位：高程系统采用海图基面，极端高水位1.89 m，设计高水位1.26 m，设计低水位-0.20 m。

2)潮流：工程区的海域属全日潮，具有明显的往复流特征。

3)波浪条件：强浪向为SW向，7月份受台风影响，平均波高和周期明显增高。波浪重现期50 a时，码头前沿波高H1%达9.2 m。

4)地质条件：从地质钻探结果看，地表为厚度不大的密实砂石覆盖层，其下基本为砾石或圆石。

5)地震：菲律宾地处环太平洋地震带，地震活动频繁，根据工程专项抗震研究报告，工程区域地震平均峰值加速度值为0.3g。

6)卸船机荷载：码头配置4台桥式抓斗卸船机，单机工作效率1 750 th，轨距22 m，外伸距40 m。

7)设计船型及尺度见表1。

表1 码头设计船型尺度

3 结构设计要点

3.1 结构形式的比选

离岸式散货码头通常位于没有掩护的外海区域，常采用高桩式结构和重力式结构，重力式结构是依靠结构本身及其上面填料的重力来保持自身的滑移稳定和倾覆稳定，适用于较好的地基[2]，本工程所在地受到波浪和地震荷载较大，需要较大的结构才能满足要求，对施工设备要求高。

高桩梁板式结构具有质量轻、消波效果好、荷载传递明确，选择合适的桩基就能保证结构在地震和波浪力作用下的安全，并且整体结构的工程量较小，菲律宾当地的施工条件较落后，重型施工设备都需要从国内调配，相对重力式结构而言，对施工设备的要求较低。经综合比较，本工程使用高桩式结构，断面见图1。

图1 码头平台结构断面(高程：m；尺寸：mm)

3.2 桩基设计要点

3.2.1土层参数

土层参数及桩基标准值见表2。

3.2.2桩型选择

本工程区域的主要地基土层是火山作用形成的由凝灰岩和安山岩胶结而成的集块体，土层中有大的安山岩块，打入桩一般无法实施，考虑到码头结构的承重能力大，对基础的要求较高，为满足相应的设计要求和施工造价等因素，故采用冲孔灌注桩。为充分发挥桩基承载力，且使同一桩台下的各桩受力尽量均匀，码头前后轨道下方各布置一根桩，中间设置两根桩。

表2 土层参数及桩基标准值

根据《建筑桩基技术规范》[3]，灌注桩大直径桩单桩极限承载力可按下式计算:

(1)

(2)

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值；Qsk为单桩总极限侧阻力标准值；Qpk为单桩总极限侧阻力标准值；u为桩身周长；qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值；qpk为极限端阻力标准值；li为桩周第i层土的厚度;Ap为桩端面积；ψsi为大直径桩侧阻力尺寸效应系数，对黏性土、粉土取(0.8d)、对砂土、碎石类土取(0.8d)，其中d为桩身设计直径；ψp为大直径桩端阻力尺寸效应系数，对黏性土、粉土取(0.8D)，对砂土、碎石类土取(0.8D),其中D为桩端扩底设计直径，当为等直径桩时，D=d；K为安全系数，取2；Ra为桩基竖向极限承载力特征值。

荷载效应标准组合，桩基竖向承载力计算应满足：

Nk≤Ra

(3)

Nkmax≤1.2Ra

(4)

地震作用效应和荷载效应标准组合，桩基竖向承载力计算应满足：

NEk≤1.25Ra

(5)

NEkmax≤1.5Ra

(6)

式中：Nk为荷载效应标准组合轴心竖向力作用下基桩的平均竖向力；Nkmax为荷载效应标准组合偏心竖向力作用下，桩顶最大竖向力；NEk为地震作用效应和荷载效应标准组合下基桩的平均竖向力；NEkmax为地震作用效应和荷载效应标准组合下基桩的最大竖向力。

根据建立模型和计算，本工程中Nk=4 869 kN、Nkmax=8 605 kN、NEk=5 722 kN、NEkmax=9 058 kN。

码头桩基采用直径为1 800 mm的灌注桩。码头的桩长根据附近钻孔资料计算确定，桩底高程为-47～-40 m，总桩长46～53 m，入土深度20～27 m，按照公式计算单桩极限承载力特征值为8 292～13 650 kN，符合规范要求。

3.3 码头结构设计要点

根据水面以上波峰面高度等控制标准，确定码头面高程10.0 m，考虑满载吃水时，16万t船舶干舷高度为6.9 m，5万t船舶为4.7 m，若按常规将系船柱设置在码头面，船舶难以靠泊和系缆，所以设计时在局部排架设置靠船平台，平台向海侧突出码头2 m，顶高程6.0 m，前沿设有靠船构件、橡胶护舷等靠泊设施，通过钢斜梯与码头面相连。此方案可以满足全部船型安全靠泊，具有很好的适应性，断面见图2。

图2 码头系缆平台断面(高程：m；尺寸：mm)

本工程卸船机轨距为22 m，轨道中心距码头前、后沿均为2 m，结合码头作业车辆通道等因素，码头总宽度取26 m。轨道梁为预应力混凝土结构，上部结构为正交梁板体系；码头中部设置排水梁，用来收集含煤污水，汇集后进入码头集污池，由潜污泵加压提升，送至陆域煤污水处理站进行处理，减少污染，保护环境，符合当地政策要求。

3.4 抗震设计要点

3.4.1基本思想

我国抗震的基本原则是小震不坏、中震有修、大震不倒，分别对应50 a超越概率为63%、10%、2%～3%的地震烈度[4]，码头抗震设计主要包括3个方面：抗震设计条件、地震惯性力计算和建筑物结构应力分析[5]。菲律宾国家结构规范[6](简称NSCP)的基本原则是避免人员伤亡和结构倒塌，即在小中强度地震作用下，结构保持在弹性范围内，不发生破坏，大震作用下结构不发生部分或整体倒塌，通过确定结构发生塑性铰的位置，使得破坏出现在易于检测和修复的部位[7]。

3.4.2地震区划分

菲律宾地震频繁，国土80%以上位于地震4区(地震峰值加速度为0.4g)，其余位于地震2区(地震峰值加速度为0.2g)，见图3。本项目根据工程专项抗震研究报告，工程区域地震平均峰值加速度值为0.3g。

3.4.3地震反应谱

菲律宾的地震反应谱在确定特征周期时，考虑了震源的类型、场地类别、地震影响系数和震源距离等，如图4所示。

图4 工程所在地的地震反应谱

3.4.4地震反应分析

全直桩的高桩码头结构地震水平力通过弯矩传递至桩基础，结构受力路径比较简洁，增大了结构自振周期，使得地震反应减小，同时考虑不同结构类型的设计延性，使用相应的影响系数R进行折减，得到设计使用的荷载效应。

4 中菲规范材料的比较及应用

作为境外工程，只有熟悉当地的规范，才能够更好地推进项目，在当地市场实现长足发展。菲律宾没有专门的码头设计类规范，故参照美国规范编制了NSCP，该规范共分为7个章节：总体要求、最小设计荷载、土方和地基、结构混凝土、结构用钢、木结构、砖石结构。

4.1 钢筋的比较

4.1.1中国规范对钢筋的规定

我国钢筋主要有热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋，常用光圆钢筋型号为HPB300，常用带肋钢筋型号为HRB335、HRB400、HRB500，数字代表钢筋屈服强度标准值，单位MPa，具有不小于95%的保证率[8]。钢筋的强度设计值等于强度标准值除以材料分项系数γs，热轧钢筋取1.1，例如HRB400钢筋，它的强度标准值为400 MPa，强度设计值为 360 MPa。HRB系列钢筋具有较好的延性、可焊性、机械连接性能和施工适应性。

4.1.2菲律宾规范对钢筋的规定

菲律宾规范规定碳钢和合金钢要分别符合美标ASTM-A615 M[9]和ASTM-A706 M[10]的规定，主要型号为Grade 40、Grade60和Grade75，它们对应的屈服强度标准值为40 000、60 000和75 000 psi(1psi=6.895 kPa)，具有99.9%的保证率[11]，在结构设计时，采用荷载抗力系数法，考虑强度折减系数和荷载分项系数这两部分；当受到弯矩、拉压作用时，强度折减系数Ф取为0.65～0.90，受拉构件取大值，受压构件取小值。

但经过实地调研后发现，菲律宾当地并不会大批量生产美标钢筋，而是按照菲律宾国家钢筋技术规范标准PNS49[12]来生产，当地钢筋分为普通和可焊接钢筋，主要型号有Grade 230、Grade275和Grade415，数字代表的钢筋屈服强度标准值(单位为MPa)，可焊钢筋在后面加上W，当地主要有公称直径为10、12、16、20、25、28、32、36 mm的钢筋，Grade275和415会在末端分别涂抹黄色和绿色来表示，可焊钢筋会附加上红色。

4.2 混凝土的比较

4.2.1中国规范混凝土强度指标取值

采用边长150 mm的立方体抗压强度标准值fcu,k作为混凝土强度等级，具有95%的保证率，以符号C表示，单位MPa。轴心抗压强度的标准值fck，按下式计算：

fck=0.88αc1αc2fcu,k

(7)

式中：0.88为构件强度差异修正系数；αc1为棱柱强度与立方体强度之比，取0.76；αc2为脆性折减系数，对C40混凝土取1.0。混凝土轴心抗压强度的设计值fc等于fck1.4。例如，对于C40混凝土，它的强度标准值为26.8 MPa，强度设计值为19.1 MPa。

4.2.2菲律宾规范混凝土强度指标取值

菲律宾规范中对混凝土的规定参照美国规范，用直径150 mm、高300 mm的圆柱体构件测得的抗压强度f′c作为设计采用的力学性能指标，与中国规范不同，美标中没有修正系数，所以不存在设计值和标准值。

对于不超过C50的混凝土，美标规定的混凝土强度与我国立方体强度的对应关系[13]见表3。

表3 美标与国标混凝土强度的大致对应关系

4.2.3混凝土耐久性设计的比较

我国规范针对结构所处的环境类别、结构部位和设计使用年限进行设计。对于位于浪溅区的普通钢筋混凝土结构，水胶比限值为0.40；普通硅酸盐水泥中的铝酸三钙含量宜在6%～12%；常采用表面涂层、硅烷浸渍等附加防腐措施。

菲律宾规范对建筑物在环境中的暴露类别和等级进行分类，共分为4类：F类适用于暴露在霜冻和潮湿条件的结构；S类适用于接触含有硫酸盐的水和土壤；P类适用于接触水且要求低渗透性的结构；C类适用于要求额外配筋防腐保护的结构。每个类别根据不同的严重程度划分等级。

本工程参照暴露等级为S1(中等暴露)，选用铝酸三钙含量达到10%的Ⅰ型波特兰水泥，较高的铝酸三钙含量的波特兰水泥改善了海水中氯化物的混合，有利于结构的耐久性；并在预制构件及除现浇面层顶面以外的现浇混凝土表面采用硅烷浸渍进行保护。

5 结语

1)高桩梁板式结构对当地天然地形、水流影响较小，对风浪有较好的适应性，港区附近设施较为落后，但水上交通较为便利，相对其他结构形式，施工也更加方便，二层系缆平台的设置保证了船舶的安全靠泊。

2)全直桩的灌注桩结构满足码头承重能力要求，受力合理、明确，适应工程所在地的地质条件。

3)菲律宾是一个多地震国家，对于结构抗震设计要结合当地的实际情况进行合理的设计，确保工程质量。

4)钢筋混凝土等结构主体材料，直接影响整个工程的采购和施工进度，设计人员要对当地材料的种类和特性充分了解，并在设计时结合实际进行选型，才能够为项目总承包的开展打好基础，也为日后在该地区项目的开展提供借鉴。