不同作用力下高樁碼頭叉樁受力分析

唐東洋 ，翟鋼軍 ，熊洪峰

（1.大連理工大學建設工程學部，大連116024；2.交通部天津水運工程科學研究所水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；3.哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱150001）

隨著我國經濟的持續(xù)增長，天津港貨物吞吐量迅猛增長，同時船舶向大型化發(fā)展。為滿足超過原設計船型的船舶停靠，天津港對碼頭前沿水域和航道進行了浚深，這必然給碼頭結構帶來不利影響。天津港2009年秋季檢查結果［1］顯示，高樁碼頭的許多叉樁出現了不同程度的斷樁現象。

由于天津港為軟土地基類型，高樁碼頭應用極廣，其中叉樁是抵抗碼頭水平作用力的重要構件。影響高樁碼頭叉樁受力的因素有很多，包括碼頭自重、船舶撞擊力及系纜力、碼頭前沿水域的浚深及碼頭岸線的回淤量、后承臺和后方堆場的豎向荷載等，其影響程度各不相同。通過正交分析可以確定對計算結果影響較顯著的因素，即叉樁受力計算中的敏感因素，對尋找叉樁破損原因和結構的優(yōu)化設計有十分重要的意義。

本文采用數值計算方法分析高樁碼頭叉樁在樁土相互作用下的受力情況［2］。

1 高樁碼頭叉樁結構及工程概述

高樁碼頭結構對地基要求低，無需對地基進行復雜的工程處理，另外對航道疏浚和港池浚深適應能力強。其中叉樁是用來抵抗碼頭承受水平力荷載的重要構件，樁體的傾斜布置能使碼頭承受的水平力轉換為叉樁的軸向力，并通過叉樁傳到土體，進而使碼頭在水平力作用下產生很小的水平位移。某高樁碼頭，排架間距為7 m，承臺寬度為13.8 m，直樁為55 cm×55 cm空心樁，叉樁為50 cm×50 cm空心樁，叉樁水平轉角為22°，面板厚度為48 cm，碼頭結構段立面圖見圖1，結構段斷面圖見圖2。

2 模型的建立

2.1 幾何模型的建立及網格劃分

采用ANSYS軟件進行分析，建立高樁碼頭結構和地基土共同作用的整體三維有限元計算模型［2］，沿碼頭岸線方向取7 m，岸-海方向取90 m范圍（碼頭前沿外-10 m，碼頭前沿往后取-80 m）。模型坐標軸取從碼頭前沿朝向后方堆場的方向為X軸正方向；Y軸正方向豎直向上；Z軸方向垂直于XY平面。

為方便計算，對空心樁進行一定的簡化［3］，采用等效截面和剛度的實體方樁替代空心樁，面板、橫梁、縱梁、帽梁、直樁、叉樁采用Solid65單元離散，土體由Solid45單元進行離散［4］。

2.2 材料參數及本構模型

計算分析中混凝土構件（樁、梁、板）、拋石等均考慮為線彈性材料，其材料特性按照我國相關技術規(guī)范取值，混凝土結構材料特性見表1；地基土體在計算分析中考慮為D-P彈塑性本構模型，土體參數根據《天津港22～24段碼頭工程巖土工程勘察報告》取值，土體材料特性見表2。

表1 上部結構材料特性Tab.1 Materials properties of upper structure

2.3 樁土接觸面模擬

樁土接觸變形問題屬于邊界條件非線性問題。在本文建立的有限元模型中，樁—土接觸面采用面與面接觸的Targe170，Conta173單元來模擬，該單元的特點是能進行較大的張開、滑移等大變形計算［5］。

通過KEYOP（12）中的選項設置，選擇罰函數法作為接觸面的算法。罰函數法是通過接觸剛度在接觸力與接觸面間的穿透值（接觸位移）間建立力與位移的線性關系

式中：CP，CT，SFRIC分別為接觸壓力、接觸滲透和接觸摩擦力；FKN，SLIDE，Mu，PRES分別為接觸單元的接觸剛度、接觸位移、摩擦系數和法向接觸力。

由式（1）～式（3）可知，接觸界面的2個重要的力學參數——摩擦系數Mu和法向剛度FKN控制了接觸的力學行為，因此這2個參數的正確取值是接觸模擬正確的關鍵。作為非線性的接觸問題，FKN取值無成熟經驗可循，只能采用試算的方法確定。考慮到FKN越小，計算越容易收斂，先用一個比較小的FKN開始計算，收斂后再改大些。由于接觸剛度FKN越大，則穿透越小、結果越合理，因此把FKN改大些重新計算，直到有一個滿意的結果。

表2 土體材料特性Tab.2 Materials properties of soil

甘立剛等［6］對混凝土與土之間的摩擦系數做過大量試驗，經過回歸分析后得出樁土摩擦系數（表3）。

表3 樁土摩擦系數Tab.3 Friction coefficient of piles and soil

2.4 作用力

根據《港口工程荷載規(guī)范》（JTJ215-98）［7］，并結合現場觀測，最后計算得到作用于單個排架下的最大船舶撞擊力為183.2 kN，最大系纜力沿碼頭橫向的分力為-126 kN；根據資料選取碼頭前沿最大浚深為-11 m，根據《天津港2009年秋季檢查報告》［1］測得的岸坡形式計算回淤量；后承臺及后方堆場的最大豎向荷載采用設計荷載5 t/m2。

3 叉樁受力分析

根據《2009秋季天津港檢查報告》［1］可知，前承臺叉樁在其樁頂附近出現了大量的寬裂縫，即斷樁現象。為了尋求斷樁原因，對叉樁樁頂受力進行分析。

3.1 正交化分析方法

為了避免重復分析、盡量減少試驗的次數，采用具有均值和標準差敏感性因子計算方法的正交試驗法進行分析。通過事先設計好的一套“正交表”來安排試驗，借助正交表可以選出具有代表性的試驗，以較少的試驗次數取得的試驗數據進行統(tǒng)計分析，而能得到滿意的結果［8］。

為了得到叉樁樁頂受力隨外力變化的規(guī)律和各外力對樁頂受力的敏感性程度，將影響叉樁受力的各因子（A為碼頭前沿水域的浚深及碼頭岸線的回淤量；B為船舶撞擊力及系纜力；C為后承臺和后方堆場的豎向荷載）均分為3個水平，進行正交分析；為了得到更精確的分析結果并減少試驗次數，撞擊力與系纜力分別與其他2個因子進行搭配計算。受力因子見表4和表5。

表4 撞擊力組Tab.4 Impact force group

表5 系纜力組Tab.5 Mooring force group

本試驗是三水平三因子的試驗，故選擇列數不能少于三列的正交表格，在三水平正交表中，列數不少于三的最小正交表是L9（34）（表6）。由表6可知，原本三水平三因子的不同搭配共有27組不同的試驗，現在只需9組試驗計算分析就能反映全面的情況。

3.2 計算結果分析

為模擬樁土摩擦，樁體采用了三維實體單元，后處理中實體單元不能提取結構內力，需進行二次開發(fā)編制APDL語言，對截面進行積分而得到叉樁結構內力，并通過坐標轉換，將其模型坐標下的受力轉換到叉樁正截面的受力。本文計算了叉樁樁頂垂直于軸向方向的截面（正截面）MZ、MX、FY、FX的受力，其正截面坐標俯視圖見圖3。MZ的正方向表示使沿X軸正方向的面受拉，MX的正方向表示使沿Z軸正方向的面受拉，FY方向為樁體受壓為負，受拉為正；FX的正方向與X軸保持一致。

表6 向岸斜樁MZ試驗及分析的正交表格Tab.6 Orthogonal table of the inclined piles for MZ experiment and analysis

表7為撞擊力試驗組下向岸斜樁受到的彎矩MZ，其中Ⅰj表示第j列“1水平”所對應的數據之和；Ⅱj表示第j列“2水平”所對應的數據之和；Ⅲj表示第j列“3水平”所對應的數據之和。以MZ第3列的數據為例，Ⅰ3/3是1，6，8三個試驗所對應數據的平均值，而在這3次試驗中A和C的水平都只出現了一次，Ⅱ3/3、Ⅲ3/3也是如此，因此3個平均數Ⅰ3/3、Ⅱ3/3、Ⅲ3/3的差別只反映了B1、B2、B3的差別。由于Ⅰ3/3、Ⅱ3/3、Ⅲ3/3的值逐漸增大，說明其結果隨著B因子的增大而逐漸增大；用因子各水平所對應的平均值Ⅰ3/3、Ⅱ3/3、Ⅲ3/3可以評定該因子的變化對結果產生的一定規(guī)律，并評定該因子取哪個水平能得到最大值或最小值。

由正交表可知

式中：Sj為第j列的偏差平方和。Sj值較大則表示該列所在的因子影響較大。表中B因子的Sj最大，故其對MZ的影響最大。

去掉表6中各試驗號得到不同外力下叉樁樁頂的MZ、MX、FY、FX的分析如下，由于FZ、MY的數值很小，其對結構的影響也較小，故未對其進行分析。

表7 系纜力作用下向岸斜樁MZ計算表格Tab.7 MZ calculation table of the inclined piles under the mooring force

由表6和表7可知：水平力（撞擊力和船舶系纜力）對向岸斜樁的MZ值影響最大，其次是后承臺和后方堆場的均布荷載，碼頭前沿的浚深和碼頭岸線的回淤量對MZ值的影響最小。作用于碼頭的水平力（撞擊力、系纜力）由小到大變化時（系纜力為負），向岸斜樁的MZ遞增（朝著使坐標軸正方向的面受拉方向發(fā)展）；向岸斜樁的MZ值會隨著后承臺及后方堆場的豎向均布荷載的增加而增加；碼頭的浚深和岸線回淤量的加大，也會使向岸斜樁的MZ值呈遞增的趨勢，但其由水平2變化到水平3時，對MZ的改變量較小。

所以向岸斜樁的MZ值在組合33（撞）3工況下達到最大值，13（拉）1下達到最小值。

向岸斜樁的FY、FX、MX以及向海斜樁的MZ、FY、FX、MX采用與前面相同的分析方法得到以下結論。

（1）向岸斜樁。對向岸斜樁FY、MX值影響最大的是撞擊力和船舶系纜力，其次是后承臺和后方堆場的均布荷載，碼頭前沿的浚深和碼頭岸線的回淤量對FY值的影響最小；對向岸斜樁的FX值影響最大的是后承臺和后方堆場的均布荷載，其次是撞擊力和船舶系纜力，碼頭前沿的浚深及碼頭岸線的回淤量對FX值的影響甚微。

作用于碼頭的水平力（撞擊力、系纜力）由小到大變化時（系纜力為負），向岸斜樁的FY值減小（朝著使截面受壓的方向發(fā)展）、FX值遞增（使截面受坐標軸正方向的水平力）、MX值減小（朝著使坐標軸負方向的面受拉方向發(fā)展）；后承臺及后方堆場的豎向均布荷載的增加使向岸斜樁的FY值增加、FX值增加、MX值減小；碼頭的浚深和岸線回淤量的增加使FY值增加（但其由水平2變化到水平3時比由水平1變化到水平2的改變量小很多）、FX值增加（但其由水平2變化到水平3時比由水平1變化到水平2的改變量小很多）、MX減小。

所以向岸斜樁的FY值在組合33（拉）3工況下達到最大值，13（撞）1下達到最小值；向岸斜樁的FX值在組合33（撞）3工況下達到最大值，13（拉）1下達到最小值；向岸斜樁的MX值在組合13（拉）1工況下達到最大值，33（撞）3下達到最小值。

（2）向海斜樁。對向海斜樁的MZ、FY、FX、MX值影響最大的是撞擊力和船舶系纜力；MZ、FY、MX的次要影響因素是后承臺和后方堆場的均布荷載，FX的次要影響因素是碼頭前沿的浚深和碼頭岸線的回淤量；碼頭前沿的浚深和碼頭岸線的回淤量對MZ、FY、MX影響最小，后承臺和后方堆場的均布荷載對FX值的影響最小。

作用于碼頭的水平力（撞擊力、系纜力）由小到大變化時（系纜力為負），向海斜樁的彎矩值MZ增加（朝著使坐標軸正方向的面受拉方向發(fā)展）、FY值增加、FX值增加、MX值減小；后承臺及后方堆場的豎向均布荷載的增加使向海斜樁的MZ值增加、FY值減小、FX值增大、MX值減小；碼頭浚深和岸線回淤量的增大使向海斜樁的MZ值減小、FY值減小、FX值減小、MX值減小。

所以向海斜樁的MZ值在組合13（撞）3工況下達到最大值，33（拉）1下達到最小值；向海斜樁的FY值在組合13（撞）1工況下達到最大值，33（拉）3下達到最小值；向海斜樁的FX值在組合13（撞）3工況下達到最大值，33（拉）1下達到最小值；向海斜樁的MX在組合13（拉）1工況下達到最大值，33（撞）3下達到最小值。

4 結論

利用ANSYS有限元軟件，建立了以高樁碼頭結構與土相互作用的數值計算模型；重點分析了在不同作用力及各水平下，高樁碼頭叉樁的受力（MZ、MX、FY、FX）情況，得出了以下結論：

（1）碼頭前沿的浚深和碼頭岸線的回淤量由水平2變化到水平3時，對向岸斜樁MZ、FY、FX的改變量很小，遠遠小于由水平1變化到水平2時的改變；其余都呈現出了較強的線性變化過程。

（2）向岸斜樁的MZ值在組合33（撞）3工況下達到最大值，13（拉）1下達到最小值；FY值在組合33（拉）3工況下達到最大值，13（撞）1下達到最小值；FX值在組合33（撞）3工況下達到最大值，13（拉）1下達到最小值；MX值在組合13（拉）1工況下達到最大值，33（撞）3下達到最小值。對向岸斜樁的MZ、FY、MX影響最大的是水平力（撞擊力和船舶系纜力），對FX值影響最大的是后承臺和后方堆場的均布荷載。

（3）向海斜樁的MZ值在組合13（撞）3工況下達到最大值，33（拉）1下達到最小值；FY值在組合13（撞）1工況下達到最大值，33（拉）3下達到最小值；FX值在組合13（撞）3工況下達到最大值，33（拉）1下達到最小值；MX在組合13（拉）1工況下達到最大值，33（撞）3下達到最小值。對向海斜樁的MZ、FY、FX、MX影響最大的均是水平力（撞擊力和船舶系纜力）。

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