高樁碼頭叉樁最不利受力工況分析

劉現鵬 ，熊洪峰 ，2，趙沖久

（1．交通運輸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重點實驗室，天津 300456；2．哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱 150001）

高樁碼頭叉樁最不利受力工況分析

劉現鵬1，熊洪峰1，2，趙沖久1

（1．交通運輸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重點實驗室，天津 300456；2．哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱 150001）

高樁碼頭結構的復雜性以及樁體與土相互作用的非線性，使得樁體受力相當復雜。文章分析了影響高樁碼頭叉樁受力的各種因素，通過建立ANSYS有限元模型計算各種工況下叉樁樁頂受力情況，得到了叉樁的破損機理，并結合各外力因素對叉樁不利受力進行敏感度分析，得到了叉樁受力的最不利工況組合和最敏感外力因素，對認識高樁碼頭叉樁破損的原因具有參考價值。

高樁碼頭；叉樁；敏感度；最不利工況

Biography：LIU Xian-peng（1977-），male，engineer.

高樁碼頭是我國港口建設中應用最廣泛的碼頭結構型式之一。該碼頭為透空式結構，結構自重小，對波浪的反射小，泊穩條件好；可較多采用預應力構件，增大預制安裝的比例，有利于組織機械化施工、建設速度快、材料消耗省、造價也較低；適應大水位差能力強。但是，高樁碼頭也有其不足之處，如其結構適應工藝荷載變化或超載裝卸的能力差，特別是接岸結構處理復雜，如處理不當時，易發生側向位移、變形、開裂等現象。另外，高樁碼頭前承臺叉樁破損后的維修和加固十分棘手，根據交通運輸部天津水運工程科學研究院對天津港高樁碼頭多年的調查和檢測情況可知［1］，天津港碼頭的叉樁破損數量很多，而且目前發現的破損叉樁的破損位置均位于水面以上的叉樁樁頂附近，水面以下叉樁的破損情況還未能具體統計。鑒于這種情況，應該及時開展高樁碼頭叉樁破損原因分析，找到造成叉樁破損的最不利受力工況，從而制定科學的加固維修方案。

尋找叉樁最不利的受力工況方法較多，文章利用有限元計算［2-4］結果，并從敏感度的角度對其進行闡述和分析。

1 模型建立

采用ANSYS軟件進行分析，建立高樁碼頭結構（由面板、橫梁、縱梁、帽梁、直樁、叉樁組成）和地基土共同作用的整體計算模型，計算分析采用三維有限元法［2］，沿碼頭岸線方向取7 m范圍，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）。模型坐標軸以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平面向外（圖1）。

考慮計算的收斂性及速度，鋼筋混凝土構件需采用等效截面和剛度的實體進行簡化［5］，為了很好的模擬樁土之間的摩擦，除面板、橫梁、縱梁、帽梁外，直樁、叉樁均采用實體單元SOLID65進行離散，土體由SOLID45單元進行離散，文中建立的有限元模型中樁—土接觸面采用面面接觸。上部結構單元如圖2所示。

2 樁體受力計算工況

圖1 有限元模型Fig.1 FEM Model

圖2 前承臺有限元模型Fig.2 FEM model of front platform

影響高樁碼頭叉樁受力的原因很多：船舶撞擊力及系纜力；碼頭前沿水域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；通過對近年碼頭靠泊船型和浚深等資料的調查和收集，并通過計算得到碼頭停靠實際船型時分配到單個排架的最大撞擊力和系纜力等荷載［6］，為了精確分析結構受力，將各外力因子分為3個水平（第3 水平對應的是各因子的最值）［7］（表 1）。文中結合以上因素及各水平對叉樁受力進行分析，計算工況見表2。

表1 外力因子計算值Tab.1 Computation value of external force coefficient

表2 工況組合計算表Tab.2 Combination of different working conditions

高樁碼頭結構通過樁體摩擦力來支撐上部結構，而摩擦力大小與土的主動土壓力、被動土壓力等密切相關；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對叉樁受力是相互影響的，其中一個值的大小和方向可能會造成其他因素隨之發生改變，所以要得到某個參數對叉樁受力的影響必須考慮其他2個參數的存在。例如工況1、工況2、工況3中碼頭前沿水深及岸坡回淤量都是在水平1下，而其他2個參數的水平都分別取為1、2、3；工況4、工況5、工況6描述的是碼頭前沿水深及岸坡回淤量在水平2下的情況；所以把工況4、工況5、工況6下叉樁受力的平均值減去工況1、工況2、工況3下叉樁受力的平均值作為由碼頭前沿水深及岸坡回淤量的變化產生的叉樁受力變化較僅在參數（碼頭前沿水深及岸坡回淤量）作用下其改變時碼頭受力的變化更為準確。

叉樁受力由以上3個因素確定，在上述3因素哪種水平組合下產生破壞受力的數值最大，即為對應的樁體受力的最不利工況組合。

3 叉樁破損機理

叉樁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，使碼頭在水平力作用下產生很小的水平位移，并且通過上述工況的有限元仿真計算得到叉樁樁頂還承受了較大彎矩（如工況133下，向海斜樁MZ為188 240 N·m，MX為-106 141 N·m），故其為偏心受壓構件。偏心受壓構件需對其斜截面和正截面承載力進行計算。

通過計算得到其垂直于叉樁軸線方向的最大剪切力為73 121 N，而其截面剪切抗力根據式（1）［8］計算為392 136 N，故認為不會發生剪切破壞。

圖3 裂縫圖Fig.3 Sketch of crack

圖4 正截面Y方向應力圖Fig.4 Stress of the Y Direction cross section

由于樁體正截面受力形式為雙向偏心受壓，而且樁體還有預應力，故其承載力計算較為復雜，文中運用ANSYS有限元按受力等效原則模擬樁頂正截面受力狀況（模型底部0.5 m范圍內的受力與樁頂受力一致），運用工況133向岸斜樁（可能并不是最不利工況）的軸向力和彎矩進行正截面承載力計算，并添加了裂縫開裂計算，即混凝土達到其抗拉強度后就不再承受拉應力。

由圖3可知，模型距底0.5 m范圍以內的區域出現了裂縫，且由圖4可知，模型距底0.3 m位置的正截面右邊區域已經拉開，全靠鋼筋承受拉應力，并且混凝土最大壓應力達21.7 MPa，抗壓強度22.0 MPa，所以在可能不是極端受力工況133下樁體便會發生受拉破壞，并接近受壓破壞。

由于剪切力很小（各計算工況下得到的最大剪切應力為0.27 MPa，而工況133下正截面應力可高達21.7 MPa，剪切應力與正截面應力的比值僅為1.24%），故剪切力對截面正應力改變量很小，根據三向應力狀態及莫爾圓原理，可將樁體的正截面近似簡化為構件的主應力面，由此將樁體正截面的應力近似為最大應力。通過有限元計算得到決定正截面受力的樁頂彎矩和軸向力值，然后根據式（2）、式（3）計算樁體正截面的應力來近似樁體最大應力

式中：Wz為抗彎截面模量。

4 叉樁敏感度分析

4.1 敏感度分析計算方法

所謂正截面應力敏感度分析就是研究影響正截面應力的各因素與截面應力變化的相關關系，它等于正截面應力的變化率與各參數的相對變化率之間的比值。

令各參數在可能的范圍內移動，分析參數的變化對應力的影響程度。在實際系統中決定系統特性的各參數是不同的物理量，單位各不相同。為了比較系統中各參數對系統特性的影響，需要對參數作無量綱處理，繪制ΔFi～ΔXi/Xi（i=1，2，3…）曲線。曲線斜率的絕對值定義為敏感度；通過分析計算結果發現隨著參數的變化，叉樁受力呈現了一定的遞增或遞減規律，所以文章把外力荷載如碼頭前沿水深及回淤量、水平力（撞擊力、系纜力）、后承臺及后方堆場豎向荷載等參數的變化分為一步完成，即把各參數值由0增大到最大值時叉樁正截面拉、壓應力的變化作為正應力的敏感度：ΔXi/Xi（i=1，2，3…）=1下ΔFi的值為各參數的敏感度。

4.2 敏感度及叉樁最不利受力工況分析

把叉樁僅受重力作用下截面應力定為基準狀態，其基準狀態下向海斜樁、向岸斜樁正截面應力計算值見表3和表4；在撞擊力、系纜力作用下叉樁的敏感度度計算結果見表5、表6和表7（表中采用數值均經過計算得到）。

由表5可知，撞擊力（水平力）對正截面拉應力和壓應力的敏感度最大，其次是后承臺及后方堆場荷載，最小的是碼頭前沿水深及回淤量；并且撞擊力（水平力）作用下的壓應力和拉應力敏感度的絕對值大于其他2個參量作用之和，所以在計算組合水平下最大應力敏感度時先選取撞擊力（水平力），其工況水平取3；碼頭前沿水深及回淤量作用下MZ產生的拉應力和壓應力敏感性最強，且其絕對值大于MX、FY下敏感度絕對值之和，但是其產生的受壓、受拉面與撞擊力（水平力）作用下MZ產生的受壓、受拉面相反，故其會減小組合下的最大應力敏感度的絕對值，所以碼頭前沿水深及回淤量工況水平取1；后承臺及后方堆

場荷載作用下MZ產生的拉應力和壓應力敏感性最強，其絕對值大于MX、FY絕對值之和，并且其產生的受壓、受拉面與撞擊力（水平力）作用下MZ產生的受壓、受拉面相同，能增大最大應力敏感度的絕對值，所以其工況水平取3，其MX產生的受壓、受拉面與撞擊力（水平力）作用下MX產生的受壓、受拉面也相同，故計算最大壓應力、拉應力敏感度的時候應該加上其敏感度。

表3 向海斜樁基準截面應力Tab.3 Standard cross section stress of inclined pile facing the sea

表4 向岸斜樁基準截面應力Tab.4 Standard cross section stress of inclined pile facing the shore

表5 撞擊力作用下向海斜樁正截面應力敏感度分析Tab.5 Sensitivity analysis for normal section stress of inclined pile facing the sea under impact force

圖5 受力的正負應力面Fig.5 Surface by force of normal stress and negative stress

根據以上分析可知，在撞擊力作用下，碼頭向海叉樁的最敏感度為工況13（撞）3時，其敏感度=-4.37+（-0.67）+（-0.44）+（-0.16）=-5.64。在這種工況下，碼頭向海叉樁受到的應力最大，成為該叉樁最不利的受力工況。

同樣道理，向海叉樁截面應力敏感度分析可見表6。

表6 系纜力作用下向海斜樁正截面應力敏感度分析Tab.6 Sensitivity analysis for normal section stress of inclined pile facing the sea under mooring force

由表6可知，系纜力（水平力）對正截面最大拉應力和最大壓應力的敏感度最大，其次是后承臺及后方堆場荷載，最小的是碼頭前沿水深及回淤量；并且系纜力（水平力）作用下的壓應力和拉應力敏感度的絕對值大于其他2個參量作用之和，所以在計算組合下最大應力敏感度時先選取系纜力（水平力），其工況水平取3；碼頭前沿水深及回淤量作用下MX產生的拉應力和壓應力敏感性最強，且其絕對值大于MZ、FY下敏感度絕對值之和，但是其產生的受壓、受拉面與系纜力（水平力）作用下MX產生的受壓、受拉面相反，故其會減小組合水平下的最大應力敏感度的絕對值，所以碼頭前沿水深及回淤量水平取1；后承臺及后方堆場荷載作用下MZ產生的拉應力和壓應力敏感性最強，并且其絕對值大于MX、FY絕對值之和，但是其產生的受壓、受拉面與撞擊力（水平力）作用下MZ產生的受壓、受拉面相反，故其會減小組合下的最大應力敏感度的絕對值，故其工況水平取1。總之，在組合13（拉）1時最大壓應力和最大拉應力敏感度絕對值最大，在這種工況組合下，碼頭向海叉樁為最不利受力工況。

由上面的分析可知，在撞擊力（水平力）作用下，向海斜樁的最強拉應力敏感度和最強壓應力敏感度分別為6.38和-5.64；系纜力（水平力）作用下，向海斜樁的最強拉應力敏感度和最強壓應力敏感度分別為3.19和-3.87；所以13（撞）3作用下的最強拉應力敏感度和最強壓應力敏感度比工況組合13（拉）1作用下強，并且由向海斜樁僅在重力作用下的受力表可知，撞擊力（水平力）作用下叉樁樁頂受力變化規律與僅重力作用下的叉樁的受力是一致的，所以在工況組合13（撞）3下產生的樁頂受壓、受拉均大于工況組合13（拉）1。因此可知，碼頭向海叉樁最不利受力工況為在撞擊力作用下的13（撞）3工況組合。

和向海叉樁最不利受力工況分析類似，可進行向岸叉樁的最不利受力工況分析。首先，對向岸叉樁在撞擊力作用下的敏感度進行計算（表7）。

由表7可知，撞擊力（水平力）對正截面最大拉應力和最大壓應力的敏感度最大，其次是后承臺及后方堆場荷載，最小的是碼頭前沿水深及回淤量；并且碼頭前沿水深及回淤量、撞擊力、后承臺及后方堆場荷載由0變化到最值的過程中其由MZ產生的截面最大受壓位置相同（負面）、受拉位置相同（正面），并且由MX產生的截面最大受壓位置相同（正面）、受拉位置相同（負面），所以截面壓應力、拉應力最大的變化率為各參量壓應力變化率之和，所以截面最大拉應力、壓應力變化率發生在工況組合33（撞）3下，且值為各參量全部拉應力變化率之和；并且由向岸斜樁基準表格可知，僅重力作用下由MZ產生的受壓、受拉應力面以及MX產生的受壓、受拉應力面與撞擊力作用下相同，所以在撞擊力（水平力）截面最大拉應力和最大壓應力（即最不利）應等于在工況組合33（撞）3下的變化率與基準數值之和，在這種工況下，向岸叉樁為最不利受力工況。

表7 撞擊力作用下向岸斜樁正截面應力敏感度分析Tab.7 Sensitivity analysis for normal section stress of inclined pile facing the shore under impact force

另外，根據上述表格可知，若水平力為系纜力下，系纜力產生的最大壓應力變化率將與碼頭前沿水深及回淤量和后承臺及后方堆場荷載產生的變化率相反，系纜力產生的變化率的絕對值也低于撞擊力，并且由表5可知，僅重力作用下由MZ產生的受壓、受拉應力面以及MX產生的受壓、受拉應力面與系纜力作用下相反，所以在系纜力作用下產生的截面的最大壓應力和最大拉應力肯定小于在工況組合33（撞）3作用下的拉應力和壓應力，文章就不再采用表格羅列其值。

綜上可知，向岸斜樁的最不利受力組合為在撞擊力作用下的33（撞）3工況組合。

5 結語

以天津港某高樁碼頭為工程實例，采用計算分析高樁碼頭叉樁的敏感度，從而找到叉樁受力的最不利工況組合，可以得出以下結論：

（1）引起高樁碼頭前承臺叉樁樁頂斷裂的主要原因是在外荷載下叉樁樁頂受到過大的彎矩，引起叉樁出現大偏心受壓情況而破壞。因此，建議設計規范增加叉樁偏心受壓驗算相關內容。

（2）引起叉樁產生彎矩的最敏感參數是水平力（撞擊力或系纜力），其次是后承臺及后方堆場荷載，最后是前沿浚深及岸坡回淤量。并且，在撞擊力作用下的33（撞）3工況組合下，向岸斜樁會出現最不利受力狀態；在撞擊力作用下的13（撞）3工況組合下，向海斜樁會出現最不利受力狀態。

（3）既然探尋找到了叉樁受力的最不利組合工況，則應該根據實際結果對碼頭作業進行科學指導，避免最不利工況組合的出現，防止對碼頭叉樁造成破壞。

（4）叉樁的修補加固工作應該參考文章結論，根據實際的破損情況進行合理設計，做到設計可靠有效。

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Analysis on the most unfavorable load case for inclined piles of high-piled wharf

LIU Xian-peng1，XIONG Hong-feng1，2，ZHAO Chong-jiu1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport，Tianjin300456，China；2.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

The complexity of high-piled wharf structure，the non-linearity of pile-soil interaction and the variety of external forces can lead to the rather complicated force distribution.Various factors influencing the inclined pile force of the high-piled wharf were analyzed in this paper.The ANSYS FEM Model was established to simulate the force of the inclined pile under various working conditions，and the damage mechanism of inclined pile was concluded.Besides，with the combination of the sensitivity analysis of external force factors upon the inclined pile，the worst force case and the most sensitive factor were obtained.Such results can provide reference for damage analysis of inclined pile.

high-piled wharf；inclined pile；sensitivity；the worst case

U 656.1+13；TP 311

A

1005-8443（2011）06-0427-07

2010-07-07；

2010-08-19

劉現鵬（1977-），男，河北省邢臺人，工程師，主要從事港口工程檢測評估和加固工作。

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