高樁碼頭加固改造模板式鋼套箱受力有限元分析

郭春玲，王 娜，鄒一波（.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300；.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300）

高樁碼頭加固改造模板式鋼套箱受力有限元分析

郭春玲1，王 娜2，鄒一波2
（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222）

模板式鋼套箱既可作混凝土模板，又能兼作止水圍堰。結合高樁碼頭加固改造工程實例，以鋼套箱在封倉混凝土澆注前后的兩種受力狀況為關鍵控制工況，采用有限元方法分析了模板式鋼套箱結構的應力和內力。

鋼套箱，高樁碼頭，加固改造，有限元分析

引 言

隨著經濟建設和對外貿易的快速發展，部分高樁碼頭通過能力不足、泊位等級偏低的問題越來越突出。在沿海岸線資源日益減少的情況下，在役高樁碼頭結構的加固改造、靠泊能力提升，成為港口建設的重要組成部分。自20世紀80年代后期，天津港和上海港已陸續開展對在役高樁碼頭的加固改造，2013年天津港北疆港區啟動老碼頭加固改造工程，其中1961年竣工投產的16～18號泊位采用分離式墩臺加固改造方案，在墩臺施工中以鋼套箱結構作混凝土模板，兼作止水圍堰。

鋼套箱是由側壁、底板、梁系、拉壓桿等組成的箱式鋼質構件，其截面形狀、抗浮能力、制作及安裝工藝有較強的適應性，在黃浦江大橋（1974年開工）、杭州灣大橋［1］、港珠澳大橋［2］、柬埔寨洞里薩河大橋［3］、牙買加Rio Grande大橋［4］的承臺施工中均有成功應用，曹妃甸原油碼頭工程靠船墩和系纜墩采用了一種圓錐臺體鋼套箱，東海大橋近海風電場風機基礎工程采用了一種圓形截面鋼套箱，湘江長沙綜合樞紐船閘及左汊橋梁工程中開發了一種新型的預應力鋼套箱。目前，鋼套箱結構多用于橋梁工程水下承臺施工，在碼頭工程中的應用較少，在高樁碼頭加固改造工程中的計算與分析尚未見諸報道。本文針對天津港北疆港區 16～18號泊位加固改造工程模板式鋼套箱，采用有限元方法分析其結構受力。

1 工程概況

天津港北疆港區 16～18號泊位為高樁碼頭，原設計為3個1萬t級雜貨碼頭，改造完成后形成2個5萬t級散雜貨泊位。改造方案可簡述為：1）拆除原碼頭結構臨海側約4 m寬度范圍內除預應力混凝土空心方樁的其他構件；2）沿碼頭前沿線布置26組直徑1 000mm鋼管樁（每11～12根一組）；3）鋼管樁上部現澆L形靠船墩；4）各L形靠船墩之間打設預應力混凝土方樁并安裝上部結構。改造施工完成后，碼頭前沿線在現有基礎上向海側凸出2.2 m。

為在干環境中澆注L形靠船墩，保證混凝土質量，工程采用可止水防滲的鋼套箱作現澆混凝土模板。設計要求改造后原有碼頭結構不受船舶荷載作用，L形靠船墩需設預留孔，使下部未拆除的預應力混凝土空心方樁穿過墩臺，且兩者之間留有縫隙。受L形靠船墩下鋼管樁樁位、泊位原樁位及碼頭未拆除部分的限制，鋼套箱在縱向非軸對稱，結構將承受較為明顯的偏心荷載，在自重、靜水壓力、新澆混凝土壓力等荷載作用下可能發生傾覆或產生過大局部應力，這與常規鋼套箱有明顯不同。

2 鋼套箱結構特點和受力控制工況

表1 鋼套箱結構各構件的位置、名稱和材料

圖2 鋼套箱底板和側壁

圖3 鋼套箱斷面

用于L形靠船墩現澆施工的鋼套箱結構各構件的位置、名稱和材料列于表 1，底板和側壁如圖 2所示，桁架和拉壓桿斷面如圖3所示。鋼套箱面板間采用螺栓連接，連接處設墊板；內圍囹均與扁鋼焊接，外圍囹與內圍囹焊接；縱、橫側壁角部橫向圍囹相交處采用把角螺栓連接。桁架上下層主梁通過牛腿與鋼套箱橫側壁相連，拉壓桿的頂端和底端分別與桁架下層主梁和鋼套箱底板相連，下層主梁支撐于4根持力鋼管樁樁頂。荷載由拉壓桿和牛腿傳遞給桁架，再由4根持力鋼管樁傳遞給地基。

經分析，封倉混凝土澆注前后鋼套箱的兩種受力情況為關鍵控制工況，列于表2。工況1考慮：鋼套箱安裝完成，承受自重力和靜水壓力，靜水壓力對側壁和舊樁孔壁作用方向為水平向，作用力相互抵消；對底板作用方向為豎向，通過鋼管樁傳至地基。工況2考慮：一次性澆注封倉混凝土澆注，澆注高度為1.80 m，澆注完成時混凝土尚未初凝，將新澆混凝土視為Bingham流體，對鋼套箱底板和側壁均有壓力作用，此時鋼套箱承受自重力、靜水壓力、混凝土壓力作用，所有豎向荷載均通過鋼管樁傳至地基。由于施工期氣象窗口良好，為簡化計算，工況1和工況2均不考慮水流力和波浪力作用。

表2 鋼套箱結構受力關鍵控制工況及荷載組合

3 鋼套箱結構受力有限元分析

3.1 鋼套箱有限元模型

采用有限元分析軟件ANSYS建立鋼套箱整體有限元模型。模型選用ANSYS-18X族單元［7］，采用SHELL181單元模擬原平鋼板、扁鋼加強肋和鋼管樁，以BEAM188單元模擬桁架、拉壓桿、槽鋼加強肋。考慮到側壁和底板圍囹分布具有層次性，為使模型幾何尺寸與實際模板一致，并盡量提高計算效率，采用 SHELL181單元模擬圍囹腹板，用BEAM188單元模擬圍囹上、下腿。鋼套箱結構受力有限元模型如圖4所示。

圖4 鋼套箱結構受力有限元模型

3.2 計算結果與分析

對鋼套箱整體有限元模型分別施加工況1和工況2中的荷載作用，并在鋼管樁假想嵌固點位置施加全約束后，求解得到鋼套箱的應力，圖 5列出Mises等效應力云圖。對于采用SHELL181單元模擬的底板和側壁的面板及圍囹腹板，提取第1主應力1σ、第3主應力3σ、剪應力τ計算結果，并統計得到應力最值，列于表 3；對于采用 BEAM188單元模擬的槽鋼加強肋、桁架梁系、拉壓桿，提取彎矩、軸力、剪力計算結果，并統計得到內力最值，列于表4。表3和表4中同時分別列出了材料強度設計值和構件內力設計值。

圖5 鋼套箱結構Mises等效應力

表3 底板、側壁主應力和剪應力計算結果

表4 型鋼加強肋、桁架梁系、拉壓桿內力計算結果

對比表3中數據可知，在兩種關鍵控制工況下，底板面板的第3主應力σ3均超過Q235鋼的抗壓強度設計值，橫側壁面板的第 1主應力 σ1則均接近Q235鋼的抗拉強度設計值。將底板、縱橫側壁面板厚度分別由10mm、8mm增加為16mm、12mm，重新計算，仍出現這一結果。單獨提出底板和橫側壁面板的主應力（如圖6和圖7所示）分析可知，兩種工況下面板主應力值超過材料設計值的點均在與鋼管樁及桁架主梁相接的位置，其余位置的主應力值均未超過設計值。可以推斷該現象是應力集中引起的，而且靠增加板厚并不能有效消除應力集中。將Q235鋼換為Q345鋼可以提高材料強度設計值，但不能緩解應力集中，從經濟性考慮，沿鋼管樁一周布置加強板，增加面板與鋼板樁的接觸面積，是更合理的措施。

鋼套箱的加強肋、桁架梁系、拉壓桿與其他構件均為剛性連接（焊接），這些構件均超靜定，因此表4中所列構件均既有彎矩又有軸力，對比表中數據可知，各構件彎矩、軸力、剪力的計算值均低于設計值，表明在工況1和工況2中的荷載作用下，加強肋、桁架梁系、拉壓桿能滿足承載要求。

圖6 底板面板第3主應力

圖7 橫側壁面板第1主應力

4 結 論

采用有限元方法對天津港北疆港區 16～18號泊位加固改造工程模板式鋼套箱結構進行了受力分析，得到下列主要結論：

1）對于鋼套箱結構，在桿件與面板相接的位置存在剛度突變，容易發生應力集中，靠增加有限的板厚不能有效緩解應力集中。將 Q235鋼換為Q345鋼可以提高材料強度設計值，但也不能緩解應力集中，從經濟性考慮，沿桿件一周布置加強板，用以增加面板與桿件的接觸面積，是更合理的措施。

2）在工況1和工況2中的荷載作用下，加強肋、桁架梁系、拉壓桿等構件的彎矩、軸力、剪力計算值均低于設計值，能滿足承載要求。

3）模板式鋼套箱結構既能作混凝土模板，又可作止水圍堰，在碼頭加固改造工程中的適應能力強。但仍需從材料選擇、結構布置方面優化鋼套箱結構，并研究非軸對稱鋼套箱的吊裝方法。

［1］張連江，袁濤.鋼套箱在杭州灣跨海大橋工程Ⅶ標段承臺施工中的應用［J］.中國港灣建設，2006，146：49-52.

［2］馮清海，劉明虎，李國亮.港珠澳大橋青州航道橋塔墩防船撞數值模擬與性能分析［J］.武漢理工大學學報，2014，38（1）：143-146.

［3］程文華，張永林，勞振威.單壁帶底鋼套箱在柬埔寨洞里薩河大橋施工中的應用［J］.建筑施工，2009，31（6）：492-494.

［4］張文邦.有底鋼套箱在牙買加Rio Grande大橋工程施工中的應用［J］.中國水運，2012，12（11）：192-193.

［5］楊桂根，夏芳.預應力鋼套箱在湘江長沙綜合樞紐工程中的應用［J］.中國港灣建設，2012，182：57-61.

［6］楊榮君，秦武，沈斌，等.金頡臻高樁碼頭結構新型加固改造方案設計［J］.水運工程，2013，484：122-127.

［7］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007，10.

Finite Element Analysis of Stress on Template-type Steel Box Used for a High-pile Wharf Reinforced Reconstruction Project

Guo Chunling1，Wang Na2，Zou Yibo2
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China； 2.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First harbor engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Template-type steel box can be used to be not only a concrete formwork，but also a water-stop cofferdam.Based on a high-pile wharf reinforced reconstruction project，the stress and internal force of the template-based steel box are analyzed by using finite element method subject to two stress states before and after concreting as key control work conditions.

steel box； high-pile wharf； reinforced reconstruction； finite element analysis

U656.108；O241.82

A

1004-9592（2016）05-0041-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160511

2016-04-22

郭春玲（1984-），女，工程師，注冊土木工程師（港口與航道），主要從事港口水工結構設計工作。