试论东莞沙田某8万吨级石油化工码头水工结构优化设计

发布时间：2022-04-12 09:53:28 | 浏览次数：

1.项目概况

东莞沙田某8万吨级石油化工码头位于珠江河口段狮子洋水道东岸，东江南支流以北，淡水河以南，属东莞市虎门港沙田地区范围。其位于东莞虎门港总体布局规划中作为危险品专用泊位区的立沙岛作业区。

工程建设项目包括1个8万吨级和1个5万吨级油品泊位，此两个泊位均可同时兼靠2艘5千吨级或3艘2千吨级油船。考虑到以后发展的需要，2个泊位的码头结构均按照10万吨级泊位考虑。码头总长635m，宽25m，引桥长76.5m，宽15m，码头及引桥面标高为5.61m（当地理论最低潮面，下同），2个泊位的港池底标高均按照8万吨级船舶要求浚深至-15.0m。

图1：鸟瞰效果图

图2：建设中的码头

2.码头主要设计条件

2.1设计水位

设计高水位：3.24m；设计低水位：0.53m；极端高水位：4.32m；极端低水位：-0.18m。

2.2设计船型

根据业主要求及参照规范，确定设计船型尺度如表1。

2.3波浪

本工程位于河口段，外海偏S向浪受伶仃洋诸多岛屿及浅滩的影响，同时受虎门口及其附近浅滩的作用，波浪甚小。

2.4地质

根据地质钻探资料，工程区地质层自上而下依次为：①淤泥；②粉细砂；③中粗砂；④强风化页岩层；⑤中风化页岩层。钻探资料显示本区域岩层埋藏深度较浅，强风化岩层层顶标高约在-12m~-18m之间，中风化岩层层顶标高约在-14m～21m之间。

2.5工艺荷载

（1）均布荷载

表1：船型尺度

码头及引桥面均载：10kPa

（2）装卸设备荷载

①8’’输油臂基础：垂直荷载为95kN，水平力18kN，倾覆力矩为200kN.m；

②16’’输油臂基础：垂直荷载为350kN，水平力48kN，倾覆力矩为850kN.m；

③软管吊机基础：起重能力15kN；

④登船梯基础荷载：垂直荷载为220kN，倾覆力矩为250kN.m；

（3）管线荷载

①滑动管架:

第一层管架：荷载42.6kN/m，水平推力6.4kN/m

第二层管架：荷载18.5kN/m，水平推力2.8kN/m

总荷载：61.1kN/m

总水平推力：9.2kN/m

②固定管架：

第一层管架：荷载42.6kN/m，水平推力9.0kN/m

第二层管架：荷载18.5kN/m，水平推力4.0kN/m

总荷载：61.1kN/m

总水平推力：13.0kN/m

③管架间距按6.0m考虑。

3.码头结构设计方案比选

3.1码头结构方案一（钢管桩方案）

（1）码头

码头两个泊位总长635m，宽25m，分10个结构段，横向排架间距9.50m，两端悬臂长度均为2.30m。码头每榀排架由一对半叉桩、一对叉桩和两根直桩组成（斜桩斜度为5:1），桩基为φ1000（δ=20mm）钢管桩。

考虑到工程区域岩层埋藏深度较浅，当港池开挖至-15.0m设计标高后，码头前沿的部分桩基入土深度不足4.0m，因此设计要求码头全部桩基均须嵌岩，其中半叉桩和叉桩（码头前四排桩基）桩端嵌入中风化页岩5.0m，后两排直桩桩端嵌入中风化页岩3.0m。

码头上部结构为：现浇桩帽、预制下横梁、现浇上横梁、叠合梁板、现浇面层。

（2）引桥

引桥总长76.50m，宽15m，排架间距9.50m（最后一跨为4.0m）。引桥每榀排架由3根（靠岸的一排为2根）直桩组成，桩基除靠岸的两排为φ1000灌注桩外，其余均为φ800（δ=18mm）钢管桩，引桥桩基不要求嵌岩。

引桥上部结构为：现浇帽梁、叠合梁板、现浇面层。

（3）护舷及系船柱

根据船舶系缆力和撞击力的计算结果，码头8万吨级泊位选用二鼓一板SUC1250鼓型橡胶护舷（间隔排架布置）及1000kN快速脱缆钩（泊位两端布置三钩脱缆钩，中间布置双钩脱缆钩）；5万吨级泊位选用二鼓一板SUC1150鼓型橡胶护舷（间隔排架布置）及750kN快速脱缆钩（泊位两端布置三钩脱缆钩，中间布置双钩脱缆钩）。为了满足小型船舶的靠泊系缆要求，鼓型橡胶护舷之间的排架布置DA-A400橡胶护弦，并适当布置250kN系船柱。图3为码头结构方案一的断面图。

3.2码头结构方案二（PHC桩方案）

（1）码头

本方案码头的桩基布置形式及码头上部结构等均与钢管桩方案相同，仅用φ1200PHC桩代替钢管桩方案中的φ1000钢管桩。为了便于PHC桩在沉桩施工中穿透强风化岩层，在PHC桩桩端联结φ940（δ=20mm）、长2.0m的钢管桩作为组合桩。码头全部桩基均须嵌岩，其中半叉桩和叉桩（码头前四排桩基）桩端嵌入中风化页岩6.0m，后两排直桩桩端嵌入中风化页岩4.0m。

（2）引桥

本方案引桥的桩基布置形式及上部结构等均与钢管桩方案相同，仅用φ1000PHC桩代替钢管桩方案中的φ800（δ=18mm）钢管桩。

（3）护舷及系船柱

与钢管桩方案相同。图4为码头结构方案二的断面图。

3.3码头结构方案比选

（1）结构验算结果比较

两个结构方案的区别主要在于桩基，上部结构及附属设施均相同，因此在结构方案比较中，我们重点比较了桩基的计算结果，主要计算结果见表2和表3。

从结构验算的计算结果可以看出，两个方案的桩基荷载相差不大，但是钢管桩的抗弯承载力的富余量比PHC桩要大，因此钢管桩的结构安全性较高。

（2）造价及施工比较

码头两种结构方案从技术上都是可行的，均为透空疏水式结构，设计、施工经验均已成熟。

钢管桩方案，施工工艺较成熟，施工速度快，工期较短；但钢材价格较高，结构需作防腐处理，码头后期维护费用较大，工程费用（1.69亿元）较PHC桩方案高。

PHC桩方案，施工工艺没有钢管桩方案成熟，施工速度相对较慢，工期相对较长；但PHC桩价格较钢材低，结构耐久性好，码头后期维护费用较小，工程费用（1.65亿元）较钢管桩方案低。

对于两个结构方案的优缺点，从各个方面分析比较如表4。

综合以上分析，由于业主对结构的稳定性和施工工期要求较高，因此本工程码头结构采用结构方案一（钢管桩方案）。

图3：码头结构方案一（钢管桩）断面图

图4：码头结构方案二（PHC桩）断面图

表2：码头结构方案一（φ1000钢管桩）桩基极限承载力验算表

4.码头结构方案优化

对于钢管桩高桩码头，由于钢材用量大，单价高，所占码头主体结构费用的比例也高，一般占50%~70%，因此码头桩基的优化是设计所需考虑的关键因素。

本码头结构设计中，按照传统码头结构计算，所有排架结构均保持一致为6根φ1000（δ=20mm）钢管桩，由一对半叉桩、一对叉桩和两根直桩组成。

由于码头拟靠泊船型中不考虑2000DWT以下的船舶，因此二鼓一板的橡胶护舷可以间隔排架安装。在优化设计中，我们采用了迈达斯有限元计算软件，按照空间结构的受力体系进行计算后发现：安装了橡胶护舷的排架与没有安装橡胶护舷的排架之间的受力非常不平均，因此将排架分为主要受力排架（安装橡胶护舷）和非主要受力排架（无橡胶护舷）分别进行设计。

主要受力排架由一对半叉桩、一对叉桩和两根直桩组成，共6根φ1000（δ=20mm）钢管嵌岩桩（见图3）；非主要受力排架由一对叉桩和三根直桩组成，共5根φ1000（δ=20mm）钢管嵌岩桩，两种排架间隔布置（见图5）。

经过优化后的码头，主要受力排挤的横梁弯矩和桩基承载力与没有优化之前相差不大，而非主要受力排架虽然减少了一根桩，但计算后发现其横梁弯矩、桩基压桩力和弯矩仍然符合要求，结构更趋合理。优化措施降低了工程造价约1000万元，得到了业主的肯定。

5.结语

上述两种结构方案均满足码头的使用要求，但是从地质、施工难度和工期等多方面综合分析论证后，选择了造价较高的钢管桩方案。目前本工程已经交工验收，从工程建设过程中的情况开看，选择钢管桩方案是非常正确的，工程早日投产带来的经济效益比节省的一点工程造价要大多了。这也提醒设计工作者，在设计方案的选择上一定要经过充分论证，多考虑施工的便利性和业主运营后的经济效益。