老旧高桩码头升级改造技术研究

老旧高桩码头升级改造技术研究

孙熙平;阚津;张勇;尹纪龙

【摘 要】我国港口在经过大规模建设期后,存在大量的老旧高桩码头.文章结合实际

工程,研究老旧高桩码头升级改造技术,并对依托工程进行升级改造方案设计.通过对

改造方案进行数值分析可知,改造后码头能够满足安全性要求,且改造方案可以使新

老结构协调工作,保证码头结构的受力合理和变形协调.

【期刊名称】《水道港口》

【年(卷),期】2014(035)002

【总页数】6页(P165-170)

【关键词】老旧高桩码头;升级改造;承载力;数值分析;灌注桩

【作 者】孙熙平;阚津;张勇;尹纪龙

【作者单位】交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技

术交通行业重点实验室,天津300456;中国交通通信信息中心,北京100011;交通运

输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验

室,天津300456;哈尔滨工程大学,哈尔滨150001

【正文语种】中 文

【中图分类】U656.1+13

Biography：SUN Xi⁃ping（1984-）,male,associate professor.

截至2012年底，经过60多年的港口建设，我国港口营运泊位已达31 862个，

其中万吨级及以上泊位达到1 886个。在这些泊位中存在大量使用了几十年的老

码头，如何保持这些老码头的安全性、继续充分发挥甚至提高其效能，是需要研究

解决的问题。而对老码头进行升级改造可以以最小化投入和最快捷方式实现最大化

效益，提升靠泊等级，是促进港口发展的必然选择。与新建泊位相比，老码头升级

改造能够突破岸线资源不足、码头靠泊能力不足、生产安全隐患加大等问题。

自20世纪70年代以来，国内外陆续有码头升级改造的案例出现，例如1981年

英国伦敦的道克兰码头的升级改造、2002年马来西亚的巴生港一般杂货码头的升

级改造、2009年秘鲁圣尼古拉斯码头装船机的升级改造［1］、2010年的尼日利

亚的Bullno码头的升级改造［2］、2000年京唐港二港池的升级改造、2006

年的广州黄埔港码头的升级改造、2010年的天津港北疆16-18段专业化干散货码

头的升级改造、2011年的天津港石化码头的升级改造及2012年的珠海成品油码

头升级改造工程等［3-9］。

由于老码头安全性影响因素多、模糊性大，已进行的高桩码头升级改造多采用“新

建结构承担新荷载”方式，具体方案大多为新增前方承台，老结构则多为限制使用。

这一方式优点是分工明确，技术上可行性大，但缺点也很多，如新建承台侵占宝贵

的港池水域面积且升级造价很高、新老结构联合工作问题较多、老结构可靠性较低

且使用不方便等。因此，若能确定老结构的承载力，在已有老结构基础上进行升级

改造，并能使新老结构协调工作，则是较为理想的码头改造升级方案。

本文结合实际工程，研究高桩码头的升级改造技术，在码头原有结构基础上提出升

级改造方案。方案注重码头新老结构协调工作，以及改造后码头结构的受力合力和

变形协调等问题。

天津港某码头前方承台采用连续梁板式高桩承台结构，分为10个结构段，标准段

长59.5m，每个标准段包括9个基桩排架，排架间距为7m，在沉降（伸缩）缝

处桩基排架间距为3.5m。后方承台采用简支梁板结构，桩基排架数及间距同前方

承台。前承台原设计竖向荷载为30kPa，后承台原设计竖向荷载为50kPa。现拟

在该码头前承台的向海侧设计建设新的前承台，新前承台设计竖向荷载为50kPa。

为方便码头使用，拟对码头原前承台进行升级改造，使其与原后承台、拟新建的前

承台的竖向设计荷载一致，即设计竖向荷载均为50kPa。

码头断面图如图1所示。

依据码头原设计结构图、配筋图及设计参数等，根据《水运工程混凝土结构设计规

范》（JTS 151-2011）等相关规范计算反推出码头前承台横梁、纵梁、面板等各

个构件极限承载力。由于计算方法比较成熟，限于篇幅，在此不再给出详细计算过

程，各构件抗力值汇总见表1。对于码头基桩的竖向极限承载力，工程进行了码头

整体竖向承载力的原型试验［10］，最终确定了基桩的实际极限承载力为1

900kN。

码头原前承台堆货荷载拟提高至50kPa，先分析码头前承台提高荷载标准后的安

全性。根据《高桩码头设计与施工规范》（JTS 167-1-2010），前承台竖向设计

荷载需乘以1.5的分项系数即为75kPa。现取该泊位一典型的结构段建立有限元

模型，计算在新设计荷载作用下前承台各构件的作用力值。由于本次计算主要计算

上部构件的受力，土对桩的约束作用可简化成嵌固点理论。本次计算结构段长59

m，共八跨，每跨7m，宽13.9m，有限元模型见图2。

提取中间一排基桩的竖向作用力值，基桩从码头前沿向陆域编号依次为1～5#桩，

计算结果见表2。

提取横梁、纵梁的弯矩，横梁的最大正弯矩为617.2kN·m，最大负弯矩为

633.3kN·m；纵梁最大正弯矩为444.4kN·m，最大负弯矩为487.2kN·m；面板最

大正弯矩为156.9kN·m，最大负弯矩为301.7 kN·m。横梁、纵梁和面板的弯矩

图见图3～图5。

将规范法计算的构件抗力值与有限元模型计算的作用力值结果汇总，见表3、表4。

通过表3、表4可知，上部构件（包括横梁、纵梁、面板）的抗力值均大于作用值，

均满足安全性要求；对于基桩承载力，部分基桩的极限抗力小于设计荷载作用下的

作用力值，不满足安全性要求。因此，前承台需要进行升级改造才能满足新的设计

荷载要求。

根据对前承台构件承载力复核的计算结果可知，在新设计码头面荷载作用下（竖向

荷载50kPa），前承台上部构件横梁、纵梁、面板均满足安全性要求，但基桩不

满足安全性要求。所以本次改造方案以补桩提高结构整体桩基承载力为主，同时考

虑保持结构整体性、受力合理及变形协调。改造方案设计在每跨中间增加一根灌注

桩，同时增加桩帽和纵梁等结构。增加的灌注桩设计直径0.8m，底标高-30.0m，

根据地勘资料计算可知新增设的灌注桩竖向承载力为2 013kN；新增设的纵梁尺

寸与码头原横梁一致，新增设的纵梁与原横梁连接形成连续梁。改造后码头一个典

型结构段的立面图见图6，俯视图见图7，灌注桩的剖面图见图8。

依据改造方案，建立有限元模型，计算在设计荷载作用下（竖向荷载50kPa，考

虑分项系数后为75kPa）码头前承台改造后各构件的受力状态。

本次计算取码头前承台一个典型的结构段，结构段长59m，宽13.8m，构件尺寸

和材料特性依据工程地勘资料确定。为消除土体边界对计算结果的影响，土体长度

方向取120m，宽度方向取80m，土体四周及底部固定约束。桩与土采用接触模

拟，土体本构模型采用DP模型。模型采用的土性参数见表6。

建立的有限元模型见图9，码头结构设计荷载作用下整体变形变位图见图10，码

头横梁弯矩见图11，码头原纵梁弯矩见图12，码头新增设的纵梁弯矩见图13，

码头面板弯矩见图14。

根据有限元计算结果，提取基桩作用力及各构件弯矩值，并结合前承台构件承载力

复核结果，汇总见表6、表7。

通过表6、表7可知，码头前承台各构件（包括横梁、纵梁、面板、新增加纵梁）

在设计荷载作用下，作用力值均小于构件抗力值，基桩在设计荷载作用下的作用力

值均小于试验抗力值。同时，通过有限元模型的变形变位计算结果可知，设计荷载

作用下码头结构整体变形较小，提取基桩沉降，最大沉降为6.5mm，未出现较大

沉降。所以综合分析可知，通过本方案改造后的结构满足安全性要求。

老码头升级改造可以以最小化投入和最快捷方式实现最大化效益，对突破岸线资源

不足、提升靠泊等级、促进港口可持续发展具有重要意义。本文结合实际工程，研

究老旧高桩码头升级改造技术，对依托工程进行了码头升级改造方案设计。通过对

改造方案进行数值分析可知，改造后码头能够满足安全性要求，且改造方案可以使

新老结构协调工作，保证码头结构的受力合理和变形协调。

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