离岸深水港口建设关键技术研究课题之五

1、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 研究报告简本离岸深水港口建设关键技术研究课题之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报告简本1.课题研究的意义本课题研究依托大连新港新建30万吨级（兼靠45万吨）进口原油码头工程、中石油大连LNG项目码头工程和宁波港北仑港区五期集装箱码头工程，研究内容涵盖了离岸深水港码头建设的多个关键技术问题，十分具有代表性。本课题研究的意义如下：1.1本课题是满足船舶大型化、解决岸线资源紧张的需要我国国民经济的持续高速发展，引发港口建设新的高潮。港口运输能力已不适应日益繁忙的国内外运输需要。目前，沿海港口运输总能力缺口达5亿吨，与2015

2、年需求相比，缺口约20亿吨以上，为此，迫切需要加快离岸大型深水港口建设。然而目前我国港口布局不尽合理，港口虽多却缺少大型深水码头，易开发的近岸岸线资源已基本开发使用殆尽。岸线资源是不可再生的，迫切需要寻找新的岸线资源。1.2码头离岸化、深水化迫切需要新型结构型式大连港作为中国东北地区最大的出海口和大连建设东北亚重要的国际航运中心的重要基础和支撑，其大窑湾港区是国家重点开发建设的国际深水中转港之一，远期规划建设约40个大型深水泊位。同时沿海营口港、唐山港、青岛港、日照港、连云港港、上海洋山港区、宁波-舟山港、湛江港、广西北部湾港等亦正在加大大型散货码头的投资力度。这些港口的建设迫切需要新的结构型

3、式，重力式复合结构和嵌岩桩结构是可供选择的很好的结构型式。1.3是提高我国建港技术水平、促进我国建港技术进步和创新的需要积极开展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，将成果直接应用于国家重大港口工程建设，达到规避工程建设风险、优化方案、节约投资、加快建设速度的目标。这对于加快全国沿海港口工程建设，提高我国整个港口工程建设的技术水平，节省工程建设投资亦具有重要的意义。2. 国内外研究概况2.1国内、外已有大型开敞式码头结构型式2.1.1国内开敞式码头结构型式国内大型开敞式码头按结构型式分类主要有以下几种：1）桩基结构型式 一般斜桩结构国内应用最广泛、最成熟的结构之一。 全直桩结构

4、2）重力式结构2.1.2国外开敞式码头结构型式1）国外大型开敞式桩基码头结构型式 全直桩码头结构分为柔性结构和半柔性结构。柔性结构保持各桩均匀承受水平力而顶部不承受弯矩；半柔性结构桩群上部采用刚性连接，桩顶部承受弯矩。 导管架结构该结构具有整体性好、承载力大、抗风浪性能好、便于施工的特点。在日本、欧洲应用较多。 一般斜桩结构适应于海底覆盖层适中，用打桩船即可沉桩的地质条件，常见于25万吨级以下码头。2）复合结构 桩基-重力式复合结构该种结构型式在国外大型开敞式码头中得到较广泛地应用，是一种很有发展前途的新型结构。 重力式-桁架复合结构国外还较少采用。3）重力式结构国外25万吨级以上码头较少采用

5、重力式结构。2.2国内、外大型开敞式码头施工方法2.2.1国内已有施工方法1）桩基施工国内开敞式大型桩基码头施工主要采用打桩船施工。我国现有打桩船有效起吊能力120吨左右,最大冲击能量为533千牛·米左右,打桩船所能施打的合适钢管桩2000mm以下。国内大型钻机或者冲击钻成孔，孔径可达3000 mm。2）大型构件施工近年国内已有起吊能力达7500吨的起重船，但数量十分有限。大型预制构件重量一般控制在500吨以内，海上桩基桥墩已出现整体吊装施工工艺。2.2.2国外施工方法1）桩基施工 打击法沉桩打击法沉桩适合海底有合适覆盖层厚度地质条件的港址。目前，该沉桩方式应用最普遍。 挖孔或冲孔栽

6、入桩 钻孔嵌岩法嵌岩桩结构受力合理，施工速度快，造价低，在国外得到广泛应用。国外已有钻孔直径达7m的旋转式钻机；冲击钻机已能冲击成直径3-5m、深40m的孔。 钻打结合法2）大型构件施工自航式旋转臂架起重船使用灵活方便，但结构复杂，费用高；非自航式固定臂架起重船使用较不方便，但结构简单，费用低。世界上起重船最大起重能力已达万吨以上。2.3国内开敞式码头设计、施工中存在的问题2.3.1设计存在的问题1) 结构型式方面 码头结构型式国内开敞式大型深水码头绝大多数为重力式结构和斜桩结构，少数为全直桩结构，结构型式比较单一。 上部结构国内大型码头上部结构一般采用梁板结构，该结构仅梁板采用预制安装，桩帽

7、和节点采用水上现浇施工，现浇量仍较大。目前国内采用打桩船沉桩，在开敞海域施工沉桩偏位很难控制，给上部结构采用陆上整体或分块预制、水上吊装的施工方式带来了较大困难。 嵌岩结构国内嵌岩结构在中小型码头中应用较多，在开敞海域大型码头中应用经验不足。2) 材质目前，高端高强度钢仍需进口，价格昂贵。而我国广泛应用的低合金钢强度明显偏低。3) 计算理论、方法、手段国内复合结构计算模式、方法方面还是空白。4) 码头面高程的确定现行开敞式码头面高程的确定方法仅适用于正向浪作用下透空的桩基梁板结构，不适用于斜向浪、波流共同作用下的桩基结构、重力式结构和复合结构。2.3.2施工存在的问题1) 桩基施工国内用打桩船

8、沉桩存在的主要问题是起吊能力偏小、锤击能量不足及沉桩桩径受到较大限制；钻孔沉桩存在的主要问题是设备可靠性较差、施工效率较低。2) 上部结构施工大型起重船数量相对不足，整体预制安装技术及分块拼接技术与国外都有较大差距，缺乏适应于外海开敞海域施工的海上大型升降平台。13中交水运规划设计院有限公司3.主要研究内容及关键技术3.1 主要研究内容3.1.1专题一：重力式复合结构结构型式及计算方法研究1) 大型深水码头新型重力式复合结构型式研究。2) 重力式复合结构静力、动力计算分析。3) 波浪对重力式复合结构作用力研究。4) 重力式复合结构施工技术研究。3.1.2专题二：嵌岩全直桩码头结构型式及计算方法

9、研究1) 波浪、水流共同对高桩码头上部结构的作用。2) 波浪荷载作用下码头上部结构动力响应计算分析。3) 嵌岩桩的承载性状及计算方法研究。4) 水平力作用下全直桩码头结构静力简化计算。5) 全直桩码头结构温度内力计算分析。6) 全直桩码头结构动力计算对比分析。7) 嵌岩桩构造与施工方法。8) 拱式纵梁码头新型码头上部结构型式的研究。3.1.3专题三：重力式复合结构码头面高程确定方法研究理论分析主要包括：1) 重力式复合结构波峰面高度变化影响因素研究。2) 面板底部所受波浪上托力的影响因素研究。3) 水下沉箱受力影响因素研究。模型试验主要包括：1) 不同条件下，波峰面高度的测定。2) 不同条件下

10、，下部结构（沉箱）所受波浪力计算方法。3) 不同条件下，码头面板所受波浪上托力计算方法。3.2 关键技术3.2.1专题一：重力式复合结构结构型式及计算方法研究1) 提出了重力式复合结构码头新型结构方案。2) 提出了重力式复合结构上部钢管桩与下部沉箱结构的刚性连接细部结构。3) 提出了重力式复合结构上部桩基与下部沉箱结构的合理分界位置。4) 提出了重力式复合结构的计算方法。5) 提出了重力式复合结构陆上预制、水上浮运、水上定位安装的施工工艺。3.2.2专题二：嵌岩全直桩码头结构型式及计算方法研究1) 根据试验资料的统计分析，分别拟合得到了任意方向波浪、水流共同作用下，离岸式和斜坡接岸式高桩码头总

11、上托力的计算公式。2) 根据试验资料的统计分析，拟合得到了任意方向波浪、水流共同作用下高桩码头前沿波峰面高度的计算公式。3) 通过对波浪荷载作用下码头上部结构动力响应计算分析，表明波浪产生的高频冲击压强对面板整体结构的影响不大，面板位移响应小于静力计算结果。4) 对水平力在横向排架中分配系数计算方法进行了改进。结合全直桩结构特点，提出的3维刚性平台下桩系结构的分析方法，可进行基桩的水平受力分析及合理确定水平力在横向排架中的分配系数，弥补了现行高桩码头规范的不足。5) 上部结构封合后整体温差内力空间简化计算方法。6) 平动扭转耦联振型组合法在码头结构动力分析中应用。7) 嵌岩桩计算方法的研究。8

12、) 嵌岩桩上端嵌固细部构造与下端嵌岩细部构造研究。3.2.3专题三：重力式复合结构码头面高程确定方法研究1) 通过理论分析和模型试验，提出单个和多个重力式复合结构单元波峰面高度及码头面板所受波浪上托力半经验计算公式，下部结构（沉箱）所受波浪力半经验计算公式。2) 提出了重力式复合结构码头面高程的确定方法。4. 研究工作实施方案4.1课题技术路线本课题总体研究的技术路线为：收集、分析、研究总结国内外大型开敞式码头结构型式、计算方法、施工经验深入研究重力式复合结构、嵌岩全直桩基结构施工方法开展针对性研究重力式复合结构码头面高程确定方法重力式复合结构嵌岩全直桩结构静力和动力计算方法波浪、水流共同对重

13、力式复合结构、嵌岩全直桩上部结构作用力依托工程中应用重力式复合结构、嵌岩全直桩结构静力和动力计算方法，波浪、水流共同对两种结构的作用力，码头面高程确定方法等普遍性研究编写总报告审查、验收推广应用4.2研究工作实施方案针对本课题西部交通建设科技项目任务书（合同），制定了详细的初步研究工作大纲，在广泛征求有关单位和知名专家意见后，对大纲进行修订，明确课题研究主要内容、关键技术和技术路线。研究全过程紧紧围绕大纲开展工作。研究工作注意充分发挥建设、设计、科研、高校、施工等单位的优势，并注意保持骨干人员的稳定性和比较充足的研究时间。注意各专题研究进度的协调，在研究过程中召开多次协调会，及时解决有关技术问

14、题，收到良好效果。4.3依托工程本课题依托工程为大连新港续建30万吨级（兼靠45万吨）进口原油码头工程、中石油大连LNG项目码头工程和宁波港北仑港区五期集装箱码头工程。本课题研究的技术问题涵盖了大型开敞式码头建设的多个关键技术问题，十分具有代表性。以上三个依托工程均为大型开敞式码头工程，且其建设进度与本课题研究的进度相吻合。本课题首先针对依托工程开展了针对性研究，针对性研究得到的中间成果、最终成果在依托工程的初步设计和施工图设计中得到了应用。4.4试验与分析本课题针对作用于重力式复合结构和嵌岩全直桩结构的波浪、水流作用力分别进行了试验研究。重力式复合结构波浪模型试验主要针对重力式复合结构上部面

15、板、桩基、下部沉箱受力及码头前沿最大波峰面高度等研究内容进行研究。波浪、水流共同对桩基码头作用模型试验主要研究波浪、水流共同作用下高桩码头上托力及波峰面高度的计算方法。5. 主要研究结论5.1专题一：重力式复合结构结构型式及计算方法研究1) 提出了重力式复合结构是一种适用于开敞深水海域的很有发展前途的新型结构，特别适合水深大于25m、覆盖层不太厚的岩基和砂性地基地区。2) 通过结构方案比选与优化分析，上部结构采用斜桩结构要优于直桩结构，并采用环形布桩。基于理论分析，给出了重力式复合结构静、动力计算方法。3) 重力式复合结构上部钢管桩与下部沉箱结构的合理分界位置确定在极端低水位以下1倍的重现期五

16、十年一遇H1%附近。4) 提出了重力式复合结构的细部构造及施工工艺流程、方法。5.2专题二：嵌岩全直桩码头结构型式及计算方法研究1) 通过物理模型试验研究拟合得到了任意方向波浪、水流共同作用下对离、接岸式高桩码头上部结构上托力及码头前沿波峰面高度计算公式。2) 通过对波浪荷载作用下码头上部结构动力响应计算分析，表明波浪产生的高频冲击压强对面板整体结构的影响不大，面板位移响应小于静力计算结果。3) 桩侧岩体除桩-岩界面的水平抗剪强度，桩前方岩体的极限水平抗力抵抗桩顶水平荷载外，桩-岩界面的竖向摩擦力也有一定的影响。随着嵌岩桩直径加大，桩底法向抗力嵌固效应也越来越大。将桩体作为实际块体进行受力计算

17、，并采用接触面单元interface模拟桩-岩之间的接触特性，可以更真实地反映出大直径嵌岩桩在横向荷载作用下的受力及变形特性。4) 结合全直桩结构特点，提出了3维刚性平台下桩系结构的分析方法，可进行基桩的水平受力分析及合理确定横向排架中水平力的分配系数，弥补了现行高桩码头规范的不足。5) 得到了上部结构封合后整体温差内力简化计算方法。随着全直桩码头基桩大直径化，温度应力的影响值得重视，应进行校核计算，尽量合理调整基桩布置，避免结构内力受控于温度内力。6) 建立了杆系+刚片模型（基桩+刚性平台），进行全直桩码头平动扭转耦联的3维动力分析，得出的振型频率、周期以及桩顶内力、位移谱分析值与有限元结果

18、接近。课题将时程分析法结果与反应谱法结果进行了对比分析，研究成果可供水运工程抗震设计规范（JT225）修订时参考。7) 拱式纵梁结构是一种具有良好力学性能和经济效益，并能适应大跨度要求的新型码头上部结构。8) 给出了嵌岩桩上部连接及下部嵌岩的细部构造。5.3专题三：重力式复合结构码头面高程确定方法研究1) 通过模型试验及理论研究，得到了重力式复合结构单墩、群墩波峰面高度、水下沉箱受力及面板波浪力的计算公式。2) 重力式复合结构码头面高程确定方法为：用上水标准来控制时，码头面高程最大波峰面高程（综合富裕高度）；当允许码头上水和面板受力时，可根据本次研究得到的码头面板波浪上托力经验公式对码头面板进

19、行受力估算，最后根据设计实际情况确定码头面高程。计算时，设计水位采用设计高水位，波浪要素视上水严格控制程度取重现期为10年、25年的H4%波浪要素。5.4离岸深水港码头重力式复合结构与嵌岩全直桩结构设计手册本课题系统提出了重力式复合结构与嵌岩全直桩结构计算方法，并在此基础上结合国内现有规范规定，借鉴国内外已有的工程设计实例、模型试验和经验，根据各自设计、施工特点编写出了两种结构型式的设计手册，提出了详细可行的成套设计方法，并提供了算例。5.5研究成果的技术水平本课题主要研究成果要全部达到国际先进水平；其中波浪对重力式复合结构作用力研究，重力式复合结构码头面高程确定方法研究，波浪与水流共同对嵌岩

20、全直桩码头上部结构作用力研究及码头前沿波峰面高度计算研究，静力、动力和温度应力作用下嵌岩全直桩结构码头简化计算方法研究等成果全部达到了国际领先水平。6. 课题的经济、社会、环境效益及推广应用前景6.1经济、社会、环境效益本课题可解决依托工程重大技术问题，针对依托工程，预计可节省水工建筑物工程投资6%左右,复合结构缩短施工工期10%左右，并且使码头结构更安全、可靠，且更方便使用。本课题的研究为重力式复合结构、嵌岩全直桩结构在依托工程中的应用提供了有力的技术支持，也为重力式复合结构和嵌岩全直桩码头在我国离岸深水港口建设中的推广应用提供科技支撑，并为今后相关规范的修订与制订提供参考基础资料，可进一步提高我国在离岸深水港建设方面的技术水平，有着重要的经济效益和社会效益。本研究成果不仅应用于离岸深水港大型码头建设，而且可以直接应用于跨海大桥中，具有十分广阔的市场前景，