一種特殊樁基布置形式的結構計算分析

宋文濤，古西召

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

在海港工程中，波浪是影響港工結構的重要水動力因素[1]，為了減少波浪對結構的不利影響，風浪較大區域的碼頭一般建在掩護較好的港灣或防波堤內，但當口門方向處波浪強度和頻率均較高時，碼頭結構會承受較大的波浪力。為了有效抵御波浪作用和滿足使用要求，此類條件下高樁碼頭的樁基通常采用特殊的布置形式。

本文以海南某工程為實例，對高樁碼頭局部排架樁基呈三角形布置的特殊結構進行計算分析，探討了此種樁基布置形式下碼頭結構計算方法，為類似工程設計提供參考。

1 碼頭結構樁基設計

1.1 結構主要高程確定原則

碼頭結構形式需根據當地的自然條件、碼頭建筑物的使用要求和施工條件確定。本工程碼頭根據波浪、地勘等資料分析宜采用高樁梁板結構，但高樁結構存在著合理確定碼頭面高程的問題，李邵武等在《海港平面設計規范》的修編專題研究[2]中提出了上水原則和受力原則。對于散貨碼頭，由于裝卸工藝、堆貨方式以及貨種對水的敏感性和海水對工藝設備的侵蝕程度不同，要求有所不同，但基于環保要求，一般碼頭面不上水。上部結構除面板外，允許縱、橫梁系承受波浪荷載作用。依據受力限制，本文中碼頭面高程按允許上部結構承受一定的波浪力作用確定。碼頭需滿足1萬~5萬噸級船舶正常系靠泊作業，當噸位較小船舶系泊時，船舶干舷高度相對碼頭面較低，纜繩的垂直系纜角度大于30°，容易造成壓纜，船舶系靠存在安全隱患，故有系船柱排架需降低橫梁端部頂高程，端部適當加寬，這樣既有利于船舶系纜，也可通過降低系纜力作用點位置而有利于結構受力。

1.2 結構方案

本工程碼頭長324 m，寬24 m，頂面高程+8 m，采用高樁梁板結構，排架間距8 m，分為5個結構段，結構段間采用懸臂連接。碼頭平臺的上部結構采用縱、橫梁不等高連接方案。橫梁采用現澆倒T形結構，縱梁和面板為預制疊合結構。結構典型斷面見圖1。

圖1 高樁碼頭結構典型斷面Fig.1 Typical section of high-pile wharf structure

1.3 樁基布置

碼頭在承受裝卸設備自重、堆貨等荷載的同時還承受船舶荷載、門機水平荷載、水流力和波浪力等水平力的作用，樁基的選型和布置應統籌考慮承載能力、耐久性、施工難易、碼頭結構剛度和經濟性等因素。

本工程樁基設計時結合地勘、水文、波浪以及結構承載力要求，選用φ1 200 mm鋼管樁。排架樁基分兩種布置形式，普通排架樁基布設7根，其中2根直樁，5根斜樁；系船柱所在排架由于端部加寬到5 m，增加1根直樁，該排架共8根樁，前沿3根直樁，呈三角形布置，其余5根同普通排架布置。所有斜樁斜度均為4∶1，平面扭角18°。碼頭典型結構段樁位布置見圖2。

圖2 碼頭樁位布置圖Fig.2 Wharf pilearrangement

2 結構簡化計算分析

2.1 不同簡化方法計算分析

高樁梁板式碼頭內力分析，現行規范一般根據碼頭梁系、樁基布置和結構的整體性能等按平面排架結構或者按照空間結構計算[3]。本工程樁基沿橫梁布置、各排架間距均勻、普排架和系船柱所在排架樁基布置不同，具有一定的空間特征。本文結合實際工程中樁基呈三角形布置形式，采用等效替代法或平行移樁法進行簡化，討論了不同簡化方法和前沿樁基剛度不同時對樁基內力分布的影響，確定合理的簡化方法和樁基選型。

2.1.1 等效替代法

高樁碼頭結構主要承受船舶荷載等水平力作用，碼頭樁基一般布置在同一條軸線上，同時布置一定數量的斜樁用于抵抗水平力。本工程中排架端部樁基呈三角形布置，用等效替代法簡化時需考慮慣性矩、截面面積和截面抵抗矩等參數相等把前沿2根樁簡化為1根樁，但此種布置形式下前沿與樁軸線垂直的平面內X、Y向慣性矩差別較大，簡化時并不能有效反映結構自身特性。由于結構實際受力狀態較為復雜，選擇不同參數等效替換計算結果存在較大差別，有待根據結構受力模式進一步研究確定?；诜奖銓嶋H設計計算考慮，本文對此種方法不再展開論述，僅對平行移樁方法展開詳細計算分析。

2.1.2 平行移樁法

平行移樁法是把2根樁平行平移到排架軸線同一位置上。本文計算建模時，通過將前沿2根樁基沿兩樁中心連線平移樁基到與排架軸線交點處（計算模型見圖3）。

2.2 有限元模型

有限元模型采用梁板單元建模，面板采用板殼單元進行模擬，縱橫梁以及樁基礎采用梁單元進行模擬（見圖4）。同時對縱橫梁的形心位置進行了偏移，并對不在同一高度的樁單元和橫梁單元的剛性連接采取了約束方程法，使得縱橫梁、面板、樁基的空間位置和實際特征得到了真實的反映。此方法可以獲得和實體單元建模方法非常接近的計算結果，且計算時間大大縮短。

圖3 簡化后有限元模型Fig.3 Simplified finite element model

圖4 有限元計算模型Fig.4 Finite element calculation model

為了明確外力作用下結構的內力分配，計算時僅考慮單位力作用下結構的響應。高樁碼頭結構主要承受船舶系纜力和撞擊力等水平荷載作用，所以計算時單位水平力取1 000 kN。根據3種不同的簡化方法，取1個標準區段用有限元分析軟件進行空間受力分析計算，鋼管樁彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3；上部結構為鋼筋混凝土結構，采用線彈性本構模型，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.167，密度為2 500 kg/m3。計算結果見表1。

表1 不同布置形式計算結果Table 1 Calculation resultsof different arrangement types

從表1中數據分析可知，兩根樁并列布置的簡化模式下樁身軸力和彎矩比較接近按實際布置形式下結構內力。由此可見，采用2根樁并列布置的簡化模式是合理可行的，且能有效地加快建模速度，提高設計效率。

3 不同樁徑計算分析

由于排架前沿樁基剛度過大對結構受力有一定影響，為使結構形式合理，節省一定投資，以下在實際樁基布置基礎上減少前沿3根樁基樁徑，分別取1.2 m、1.1 m、1.0 m，見表2。

表2 不同樁徑計算結果Table 2 Calculation results of different pile diameters

由表2可知，在結構布置形式、施加的外部荷載相同的情況下，排架前沿呈三角形布置的樁基內力隨前沿3根樁基樁徑的減小，結構內力分布趨于不均，尤其是各樁彎矩的分布變化較大，但只要樁徑減少在一個合理的范圍內，仍然可以滿足結構受力要求，亦可減少一部分投資。

依據上述的計算分析結果，本工程把前沿樁基按平行移軸法簡化為2根并列的樁基按空間結構計算。最終確定系船柱排架前沿2根直樁樁徑取1.1 m，第3根直樁樁徑1.2 m，呈三角形布置，其余樁基樁徑均為1.2 m。

4 結語

1）碼頭前沿具有明顯空間特征的三角形樁基布置形式，2根樁并列布置的簡化模式能夠反映結構的實際受力特性，具有類似布置形式的結構亦可采用此種簡化方法。2）由于使用要求導致高樁碼頭排架端部樁基局部剛度過大時，可適當減小樁徑，從而使排架樁基內力分布更加合理，亦可節省部分投資。

[1] 黃津，于小存，陳志勇.波浪力對高樁碼頭結構的影響分析[J].港工技術，2010（3）：8-12，47.HUANG Jin，YU Xiao-cun，CHEN Zhi-yong.Analysis on impact of wave force to high-pile wharf structure[J].Port Engineering Technology，2010（3）：8-12，47.

[2] 李紹武，張志明，楊國平，等．碼頭面高程計算方法探討[J].水運工程，2013（2）：54-57．LIShao-wu，ZHANGZhi-ming，YANGGuo-ping，et al.Determination method of elevation of wharf deck[J].Port&Waterway Engineering，2013（2）：54-57.

[3]JTS167-1—2010，高樁碼頭設計與施工規范[S].JTS167-1—2010，Design and construction code for open type wharf on piles[S].