板樁碼頭前板樁組合樁基結構設計計算

高羽末，胡亞洲，趙宏元

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

板樁碼頭前板樁組合樁基結構設計計算

高羽末，胡亞洲，趙宏元

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

目前相關規范中對前板樁組合樁基結構的設計計算尚沒有統一的要求規定。本文以唐山灣國際旅游島月島施工臨時碼頭項目為例，首先對前板樁組合樁基結構有限元模型樁底約束形式進行了討論，其次根據樁參數變化對樁身最大彎矩的影響規律提出了優先調整后排樁間距的設計原則，最后結合前板樁組合樁基結構的使用特點，提出以材料屈服強度和結構位移為控制條件，最小樁長為邊界條件的結構設計計算方法，該方法可供類似前板樁組合樁基結構的設計和計算參考。

前板樁組合樁基結構；計算模型；設計計算

隨著國民經濟的發展，土地資源日益成為以一種稀缺資源，前板樁組合樁基結構在航道護岸、小型碼頭等高擋土結構中應用的越發廣泛，但目前規范中對前板樁組合樁基結構的設計計算尚沒有統一的要求規定。因此，本文以唐山灣國際旅游島月島施工臨時碼頭項目為例，基于有限元軟件對樁參數變化對樁身彎矩的英雄規律進行討論，并結合前板樁組合樁基結構的使用特點，提出以材料屈服強度和結構位移為控制條件、最小樁長為邊界條件的結構設計計算方法，該方法可供類似前板樁組合樁基結構的設計和計算參考。

1 工程案例

1.1 項目簡介

唐山灣國際旅游島位于唐山市樂亭縣西南的渤海灣中，西鄰曹妃甸新城，西北側為曹妃甸工業區，東北部毗鄰京唐港區，由陸域核心區及菩提島、月島、祥云島3個島嶼組成。此次施工臨時碼頭位于月島西北角，碼頭岸線長300m。

1.2 主要參數選取

根據唐山灣國際旅游島總體規劃及月島的建設時序安排，本項目臨時施工碼頭設計使用年限為10年，設計船型為500t貨船。工程區域設計高低水位分別為0.98m和-1.13m，50年一遇設計波高為1.93m。根據《海港總體設計規范》（JTS165-2013），本項目碼頭前沿設計底標高為-3.00m，碼頭前沿頂高程為2.00m。

2 結構設計

2.1 設計思路

（1）設計原則。根據月島施工臨時碼頭的特點，以板樁碼頭為基礎，在保證結構使用要求的前提下，盡量使用施工常用建筑材料，減少施工工序、提高整體的經濟性。

（2）結構形式。根據上述設計原則，提出了前排采用拉森鋼板樁，后排采用工字型鋼的前板樁組合樁基結構，其結構示意圖如圖1所示，其中拉森鋼板樁及工字鋼是施工現場最為常見的建筑材料，其具有采購方便、抗彎能力強的特點。

圖1 碼頭結構示意圖

2.2 施工方法

上述碼頭結構施工內容以鋼結構及鋼筋混凝土為主，包括鋼板樁和工字型鋼的施打，鋼筋混凝土結構的澆筑以及附屬設施的安裝。其中鋼板樁和工字型鋼的施打采用浮吊船施工，施工難度低，施打效率高；鋼筋混凝土結構底標高位于設計高水位以上，施工時可乘潮施工，無需設置施工圍堰，支模和鋼筋綁扎完成后進行混凝土澆筑即可。

3 參數設計計算

上述結構主要參數包括下部樁基參數和上部擋墻參數，其中上部擋墻參數受樁基參數的影響較大，且該結構樁基占整體造價的比例較高，因此，主要討論下部樁基參數的設計計算。

3.1 樁底約束形式

計算模型按照豎向彈性地基梁法采用SAP2000有限元軟件建立，將結構簡化為桿系結構，對鋼板樁、工字型鋼和擋墻分別進行受力分析。目前多數學者在進行有限元樁基受力分析時，將樁底與地基的連接方式設置為鉸接或者固結，樁基入土深度較大時，這樣設置通常沒有問題，但如果樁基入土的深度較小時，由于水平力作用，樁基底部有較大可能性發現位移，但如果還是將樁底約束方式設為鉸接或固結的話，有限元軟件默認樁底處位移為0，這就會造成軟件計算出的樁身彎矩、結構位移與實際情況有較大出入。而如果將樁底的約束設置為彈簧的話，就可以有效的解決這個問題。因此，根據樁基的入土深度選擇合適的樁底約束是有限元計算模型建立成功的關鍵。

為確定樁底約束對樁身彎矩的影響，基于月島項目，建立兩組模型：A組模型樁底約束為鉸接，后排工字鋼為12m，分別計算前排鋼板樁樁長5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0m共9種工況，B組相比A組模型僅將前排鋼板樁樁底約束改為彈簧，其他不變。兩組模型計算得到前、后排樁樁身最大彎矩值見表1及圖2。

圖2 前、后排樁身最大彎矩值變化圖

分析上述結果可知，樁底約束分別采用鉸接和彈簧時，前、后排樁身最大彎矩的變化趨勢基本是一致的，采用鉸接約束時，前、后排樁的樁身最大彎矩基本都大于采用彈簧約束時的計算結果。具體來說，樁長小于6m，即入土深度與擋土高度比小于40%時，鉸接約束計算結果遠大于彈簧約束計算，其中前排樁身最大彎矩約大12.4%，后排樁身最大彎矩約大8.9%。此階段的彈簧約束計算結果應更接近實際情況；樁長介于6m到7m之間，即入土深度與擋土高度比介于40%與60%之間時，鉸接約束計算結果稍大于彈簧約束計算，其中前排樁身最大彎矩約大4.5%，后排樁身最大彎矩約大1.8%，此階段兩種約束計算結果應與實際情況都較類似，尤其是兩種約束計算的后排樁身的最大彎矩在樁長為6m和6.5m時基本一致，故可認為這階段是彈簧約束向鉸接約束轉變的一個過渡段；樁長大于7m，即入土深度與擋土高度比大于60%時，鉸接約束計算結果大于彈簧約束計算，且兩者的差值基本一致，其中前排樁身最大彎矩約大10KN·m（5.2%），后排樁身最大彎矩約大1.6 KN·m（6.4%），此階段的鉸接約束計算結果應更接近實際情況。

綜上所述，鋼板樁底部約束可分3種情況：入土深度與擋土高度比≤40%時為彈簧，40%～60%為過渡狀態，≥60為鉸接。此外，結構設計以強度控制時，將40%～60%為過渡狀態按照鉸接來考慮，計算出的彎矩偏大，偏保守；以位移控制時，將40%～60%為過渡狀態按照彈簧來考慮，計算出的彎矩偏小，偏節約。

3.2 樁參數影響分析

樁基型號一定時，可變樁參數主要有鋼板樁樁長、工字型鋼樁長、工字型鋼樁間距3個，下面基于唐山灣國際旅游島月島臨時碼頭項目，前排樁長取5m至9m，后排樁長取6m至12m，后排樁間距取0.5m至2m，采用控制變量法分別對這3個影響參數對前后排樁彎矩分配的影響進行分析。

3.2.1 前排鋼板樁樁長

控制后排工字鋼長12m以及后排工字鋼樁間距1m不變，前排鋼板樁長度從5m增至9m時，前、后排樁身最大彎矩值隨前排樁長變化的計算結果見表2及圖3。

表1 前、后排樁身最大彎矩計算表

表2 前、后排樁身最大彎矩計算表

表3 前、后排樁身最大彎矩計算表

表4 前、后排樁身最大彎矩計算表

圖3 前、后排樁身最大彎矩值變化圖

3.2.2 后排工字型鋼樁長

控制前排鋼板樁長9m以及后排工字鋼樁間距1m不變，后排工字型鋼長度從6m增至12m時，前、后排樁身最大彎矩值隨后排樁長變化的計算結果見表3及圖4。

圖4 前、后排樁身最大彎矩值變化圖

3.2.3 后排工字型樁間距

控制前排鋼板樁樁長6m以及后排工字鋼樁長12m不變，后排工字鋼樁間距從0.5m增至2m時，前、后排樁身最大彎矩值隨后排樁間距變化的計算結果見表4及圖5。

圖5 前、后排樁身最大彎矩值變化圖

3.2.4 結果分析

（1）前、后排樁樁身最大彎矩隨前排樁樁長增大而減小，但當前排樁樁長增加至8m后，樁身最大彎矩值的變化變趨于緩和，前排樁長變化不再是樁身最大彎矩變化的主導因素；

（2）前、后排樁樁身最大彎矩總體上隨后排樁樁長增大而減小，但后排樁長的變化對前、后排樁樁身最大彎矩的影響較小；

（3）前排樁樁身最大彎矩隨后排樁間距的增大而顯著增大，后排樁身最大彎矩隨后排樁間距的增大而顯著減小。

（4）前排鋼板樁樁身彎矩遠大于后排工字鋼樁身彎矩，故一般來說前排鋼板樁樁截面尺寸較大，后排工字鋼截面尺寸較小。因此，在進行樁基參數設計計算時，應優先考慮通過調整后排樁樁間距來使前后排樁水平承載力滿足要求，進而降低總體的工程造價。

3.3 樁基參數設計計算

3.3.1 樁基參數設計計算

前板樁組合樁基結構一般應用高擋土、水平力大的情況，此類工況下，結構易發生的破壞和變形主要有兩類，一是樁身產生較大彎矩，樁身應力易超過材料的屈服強度；二是結構整體發生較大的水平位移。此外，前板樁組合樁基相比無錨板樁結構增加后排錨錠樁，減輕了前排板樁的受力壓力，故而板樁的長度在滿足波浪淘刷深度、整體穩定、豎向承載力及彈性長樁四個要求后，能滿足結構抵抗外力作用的需求即可，無需滿足踢腳穩定的要求。同樣，后排樁在滿足彈性長樁及豎向承載力兩個要求后，亦只需滿足結構抵抗外力作用的需求。因此，前板樁組合樁基結構可以以鋼材屈服強度和結構位移為控制條件，最小樁長為邊界條件，進行樁基參數設計計算，其設計計算流程如圖6所示。

表5 最小樁長計算表

圖6 樁基參數設計計算流程圖

3.3.2 月島項目計算結果

根據上述最小樁長計算要求，月島臨時施工碼頭最小樁長計算結果見表5。

根據最小樁長計算結果，前排鋼板樁最小樁長需要4.7m，后排工字型鋼最小樁長需要7.6m，此時的前排樁身彎矩為311.79KN·m，樁身應力為232.7MPa，接近Q235b的屈服應力，但此時結構墻頂的位移為55mm，超過規范允許值，故而需對前后排樁參數進行調整以滿足結構的安全需要，根據前述樁基參數設計計算思路，月島項目最終樁參數計算結果見表6。

表6 樁參數計算結果表

4 結語

本文依托于月島臨時碼頭項目，對前板樁組合樁基結構的設計計算進行了研究，主要結論如下：

（1）鋼板樁底部約束可分3種情況：入土深度與擋土高度比≤40%時為彈簧，40%～60%為過渡狀態，≥60為鉸接。此外，結構設計以強度控制時，將40%～60%為過渡狀態按照鉸接來考慮，計算出的彎矩偏大，偏保守；以位移控制時，將40%～60%為過渡狀態按照彈簧來考慮，計算出的彎矩偏小，偏節約。

（2）樁型號一定時，影響前后排樁樁身彎矩的主要因素為前排樁樁長及后排樁樁間距，其中前排樁樁身最大彎矩隨著前排樁樁長增大、后排樁間距減小而減小，后排樁樁身最大彎矩隨著前排樁樁長增大、后排樁間距增大而減小。

（3）在進行樁基參數設計計算時，應優先考慮通過調整后排樁樁間距來使前后排樁水平承載力滿足要求，進而降低總體的工程造價。

（4）以材料屈服強度和結構位移為控制條件，最小樁長為邊界條件的結構設計計算方法，適用性強，可為類似前板樁組合樁基結構設計計算提供參考。

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U443.15

A

1006—7973（2017）12-0044-04

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.12.017