高桩码头结构设计分析
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摘要：在我国的经济和社会发展中，港口码头占据着非常重要的地位。然而，由于码头需要承受船舶停靠的冲击荷载，为此码头结构的稳定性和耐久性至关重要，这也是码头结构设计中的关键性环节。目前，高桩码头这种结构形式的应用较为广泛。基于此点，本文首先分析了高桩码头的结构形式及特点，并在此基础上提出高桩码头的结构设计方法。期望通过本文的研究能够对同类工程项目建设起到一定的帮助。
关键词：高桩码头；结构设计；耐久性
一、高桩码头的结构形式及特点分析
（一）高桩码头的结构形式
按照上部结构区分，高桩码头的结构形式可分为混凝土承台式、无梁板式、梁板式、框架式。承台式码头的整体性较好、刚度大，但其自重过大，需要数量较多的桩作为支撑，适用于持力层不深、基础较好的高桩码头建设；框架式码头虽然整体性好，但由于其施工繁琐、造价过高，使其逐步被梁板式码头所替代；梁板式码头采用预应力结构，使其各个构件受力明确，有利于增强构件抗裂性能，但是由于梁板式码头的构件数量和种类较多，增加了施工难度，在复杂的上部结构底部轮廓形状的影响下，致使水气不易排出，易造成钢筋锈蚀；无梁板式码头具备造价低、施工快速、结构简单等优势，但是因其多采用普通钢筋混凝土结构，设计难度高，使其仅适用于集中荷载和水位差小的中小型码头。
（二）高桩码头的结构特点
在港口工程中，高桩码头得到了广泛应用，该码头结构主要由桩基、上部结构、接岸结构组成。高桩码头桩基包括预应力或非预应力混凝土方桩、钢管桩、PHC桩、大管桩、灌注桩、嵌岩桩等。在桩基施工中，最为常见的是柴油打桩锤沉桩和液压锤沉桩。其中，有一部分工程桩基是在沉桩之后进行桩内嵌岩或锚杆施工的，也有一部分港口工程采取立柱安装后锚岩等混合结构；高桩码头的上部结构有蹲式、板式、梁板式，按照预应力分类可分为预应力和非预应力结构，按照结构材料分类可分为高性能混凝土和普通混凝土，按施工工艺分类可分为预制安装结构、叠合结构和现浇结构；高桩码头的接岸结构多为斜坡式结构，这种结构形式能够适应码头地基软弱的状况，有利于避免过陡边坡造成码头位移、桩基损坏。通常情况下，可采取开挖换填或抛砂垫层的方式加固软土，以达到改善地基条件的目的。坡面采用人工护面块体湖护面，上部采用小型直立式挡土结构，使其与码头之间形成良好的过渡。直立式结构也是高桩码头接岸结构中的一种形式，通常采取板桩、板桩卸载平台以及重力式结构等施工方案。
对于软土地基的高桩码头而言，应采取透空结构形式，具备码头位移沉降小、使用效果好、成本造价低等优势。尤其对于集装箱码头、油气化工码头而言，这种结构形式的高桩码头更为适用。但是，由于高桩码头结构单薄、耐久性差、结构构件多、施工工序复杂、受荷载影响大，加之施工作业环境要求高、施工工期长，所以在高桩码头的结构设计中要重点注意边坡稳定性和码头后方回填沉降等问题，若这些问题得不到妥善处理，势必会造成码头位移或损坏，这是高桩码头的明显缺点。
二、高桩码头的结构设计方法
为了便于研究，本文依托工程实例对高桩码头的结构设计方法进行介绍。本工程项目拟建设2个7万t级和1个5万t级的通用停泊位，岸线的整体长度为785m，结构安全等级为二级，工程试验段长度为65.5m。由于本工程受到防波堤的掩护，加之整体波浪高度小于1m，故此对波浪作用忽略不计；按照地质勘察报告显示，拟建码头区的地层结构由上向下共分为9层，主要的土质为砂质粉土、淤泥质粉土、粉质粘土、角砾土、粘性土、粘性土混碎石。
（一）结构设计方案
试验段码头的上部结构为预应力箱板结构，桩基础为钢管混凝土直桩，共布置54根，每个码头的标准段分别由9块预应力箱板组成；钢管桩上部采用防腐涂料防腐蚀处理，选用的防腐涂料必须能够确保30年的保护要求，桩内浇筑高强混凝土，当钢管桩被腐蚀破坏之后，由桩芯内部的钢筋混凝土结构作为支撑体系；箱板采用胶接缝形式，胶结剂单面涂刷，并进行强度试验；为确保结构耐久性，箱板肋梁预应力配筋采用直线筋形式；护岸结构形式为斜坡式，坡度比为1：2和1：1.75。从结构本身的耐久性方面考虑，若是仅采用防腐涂料对钢管桩进行防腐处理的话，耐久性很难达到预期目标，故此，在经过综合考虑之后，决定采用以下防腐方法：即在水位变动区的钢管桩采用钢管壁预留腐蚀厚度+防腐涂料双层防护，水下区域内的钢管桩采用牺牲阴阳极的保护方法。这样虽然使工程造价有所提高，但是码头结构的整体耐久性也随之增强，从长远的角度讲，码头投入使用后的维修费用会大幅度降低，长期经济效益良好。
（二）结构内力计算
在高桩码头结构设计过程中，内力计算是一个比较重要的环节，计算结果对于结构设计具有非常重要的作用。本文选用目前比较流行的Ansys软件对结构内力进行分析，并建立实体模型。
1.位移计算。按照国家现行的JTJ291-98规范标准的要求，在高桩码头结构设计时，必须对码头的水平位移进行验算。具体验算过程中需要重点考虑的内容为船舶撞击力引起的位移。利用Ansys软件进行计算后得出了试验段最大水平位移在10mm左右，符合结构设计的具体要求。
2.桩基内力计算。在对桩基内力进行计算时，主要分为两个阶段进行。第一阶段为钢管与混凝同工作条件下的桩基内力，第二阶段则是钢管被完全腐蚀后，由混凝土独立承受的荷载。通过软件计算后得出正常使用极限状态下最不利荷载布置的短期效应结果，具有代表性的桩基内力计算结果如表1所示。
表1 正常使用及偶然状态组合下桩身的内力设计值
通过对表1中的数据可知，桩力大小是按照抗弯刚度进行分配的，1.0与1.2m的桩基内力比值约为1：2，其满足高桩码头结构的内力设计要求。
结论：
综上所述，在本工程中，采用预应力箱板结构具有足够的可行性。这种结构形式不但耐久性好、整体稳定性强，而且便于施工，在工程造价方面虽然较高，但却能够节省大量的维修费用，长期经济效益良好，值得在同类工程中推广应用。
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