高樁碼頭結構內力計算方法的探討

李艷清

摘 要：高樁碼頭結構位移產生的樁彎矩采用嵌固點法，由于嵌固點法對位移作用下計算的內力誤差較大，因此計算位移產生的樁彎矩不宜采用嵌固點法，故本文提出碼頭結構內力計算方法，考慮了樁頂的連接情況、樁的泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素。得出以下結論：①直樁與叉樁受樁頂水平變位影響不大，但叉樁會產生軸力；樁頂剛接時產生彎矩、剪力值大于樁頂鉸接。②在縱向水平力作用下，近似將所有基樁的樁頂合成為一個水平剛度，可減小單樁承載力，其值約為原承載力的1/20。本文所提出的計算方法能考慮樁頂的連接情況、樁的泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素，可為設計確定分段長度的計算方法，同時研究溫差與縱向荷載作用下結構的內力與變形計算問題，具有很好的推廣應用價值，并可為今后修訂高樁碼頭設計規范時補充縱向計算內容提供參考。

關鍵詞：高樁碼頭 縱向內力 水平荷載 直樁 叉樁

1.引言

現行高樁碼頭規范沒有明確規定縱向力及溫差對結構的內力影響如何計算，在設計實踐中通常采用以下兩種方法：①假設縱向力由專門設置的縱向叉樁承擔；②采用空間有限元方法計算縱向作用。前者雖然計算簡便，但卻沒有考慮到大量的直樁與橫向叉樁可參與抵抗縱向水平力的作用，也沒有考慮伸縮縫受力閉合后相鄰分段的共同工作，一般適合于采用簡單措施增加碼頭縱向水平抗力的計算。后者采用空間有限元計算縱向作用又過于復雜，實際上縱向水平力及溫差對上部結構產生的內力相對不大，無需精確計算。

由于嵌固點法對水平荷載作用下計算的內力精度較高，而對位移作用下計算的內力誤差較大。因此，本文提出結構縱向簡化方法，考慮樁頂連接情況、樁泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素的影響，采用精度相對較高的m法計算荷載及位移產生的樁內力；同時研究溫差與縱向荷載作用下結構的內力與變形計算問題，可做為設計確定高樁碼頭分段長度的計算方法。

2.計算基本假定

根據結構受力特性與結構力學基本理論，結構縱向內力設計計算作如下假定：

（1）上部結構的混凝土收縮、氣象溫差伸縮將帶動樁頂產生水平變位，導致基樁產生內力。考慮到碼頭平臺平面變形剛度遠大于基樁樁頂的水平剛度，結合結構力學基本原理，可近似認為上部結構的混凝土收縮、氣象溫差伸縮在平面上的變形是不受約束的。

（2）基樁的樁頂連接分為剛接和鉸接兩種形式。考慮到剛接樁頂轉角剛度一般遠小于縱梁體系的轉角剛度，故可近似假定剛接樁頂在混凝土收縮、氣象溫差伸縮及縱向荷載作用下樁頂不產生轉角。

（3）縱向計算不考慮結構的平面扭轉影響。長分段結構長寬比較大，無論混凝土收縮、氣象溫差伸縮、或碼頭上的縱向荷載作用，所產生的碼頭扭角都不大，可以忽略平面扭轉所產生的內力。

（4）基樁受拉與受壓的軸向剛度不變。即叉樁在水平力作用下結點基本不產生豎向位移，忽略樁頂結點在溫差及水平力作用下產生的豎向位移。

3.樁基內力分析

3.1樁頂單位水平位移產生的樁內力

先分析直樁內力，然后以直樁的成果為基礎，進一步分析斜樁的內力。

（1）直樁內力計算

假定泥上高度為h，樁身抗彎剛度為EI，樁相對剛度系數為T，樁頂水平位移為δ。

① 當樁頂鉸接時，樁頂水平剛度為：

確定。（樁身A= 0.4 81 m2，I=0.0713m4，E取39GkPa，相對剛度T=2.587m。），當樁頂水平位移為δ=10mm時，內力計算結果如下：

樁頂鉸接時，由（式1）得U=657kN/m，由（式5～8）得樁頂剪力Qt=2642*0.01=26.4kN、樁頂彎矩Mt=0；泥面剪力Qs=26.4kN、泥面彎矩Ms=26.4*10=264kN·m；按（式9～10）得泥下彎矩Mλ=292kN·m。

樁頂剛接時，由（式3 ～ 4）得Ψ=7. 3 0 5 m，U =1 0 2 9 5 k N / m，由（式5 ～ 8）得樁頂剪力Qt=10295*0.01=102.9kN、樁頂彎矩Mt=7.305*102.9=752kN·m；泥面剪力：Qs=102.9k N、泥面彎矩Ms=277kN.m；按（式9～10）得泥下彎矩Mλ=434kN·m。

當樁頂鉸接時，由（式1）得U=2657kN/m，由（式5～8）得樁頂剪力Qt=2642×0.097=25.6kN，樁頂彎矩Mt=0；泥面剪力Qs=25.6kN、泥面彎矩Ms=25.6kN·m；由（式9～10）得泥下最大彎矩Mλ=283kN·m。

當樁頂剛接時，由（式2～3）式得Ψ=7.305m，U=10295k N/ m，由（3-5）～（3-8）式得樁頂剪力Qt=10295*0.097=99.9kN，樁頂彎矩Mt=7.305×99.9=730kN·m；泥面剪力Qs= 99.9k N、泥面彎矩Ms=269kN·m；由（式9～10）得泥下最大彎矩Mλ=421kN·m。

通過以上計算示例可知，直樁與叉樁受樁頂水平變位影響不大，但叉樁會產生軸力；樁頂剛接時產生彎矩、剪力值大于樁頂鉸接。

計算示例3：某碼頭分段有10榀排架，每榀排架有8根φ1000大管樁，樁泥上長度10m，樁頂剛接，其它情況與上例相同，假定排架的橫向叉樁與直樁的單樁樁頂的縱向剛度近似相等，均取U=10295kN/ m，在第二榀排架處另布置有一對縱向受力叉樁，斜度為4：1，樁頂軸向剛度為K= 4 0 0 0 0 0k N/ m，樁頂縱向水平剛度約為400000/4+10295=110295kN/m，則在縱向水平力為5000kN作用下：

碼頭縱向位移約為：y=5000/（10295*8*10+110295*2）=0.0048m

縱向叉樁每根樁承受的軸力約為：N=0.0048/4*400000=480KN（如假設縱向水平力全部由縱向叉樁承擔，則每根樁軸力為5000/2*4=10000kN。）

由此可知，在縱向水平力作用下，近似將所有基樁的樁頂合成為一個水平剛度，單樁承載力約為原承載力的1/20。

5.總結計算步驟

（1）按下式計算直樁水平剛度U和斜樁水平剛度V

（5）將樁頂內力作為外荷載計算縱梁、樁帽或下橫梁的內力。假設樁頂反力對縱梁產生的彎矩為MZ，對樁頂為中間支座情況，兩側縱梁彎矩取MZ/2；對樁頂為邊緣支座情況，內側縱梁彎矩取MZ。樁帽內力可根據樁頂反力由靜力平衡法直接確定。當采用無樁帽形式、樁基沿下橫梁布置時，在溫差及水平荷載作用下斜樁樁頂反力對橫梁的作用可分解為豎直和水平兩個方向計算。

6.結論

（1）本文解決了高樁碼頭在溫差與荷載作用下的縱向設計計算問題，所提出的計算方法能考慮樁頂的連接情況、樁的泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素，可為設計確定分段長度的計算方法。

（2）直樁與叉樁受樁頂水平變位影響不大，但叉樁會產生軸力；樁頂剛接時產生彎矩、剪力值大于樁頂鉸接。

（3）在縱向水平力作用下，近似將所有基樁的樁頂合成為一個水平剛度，可減小單樁承載力，其值約為原承載力的1/20。

（4）考慮在溫差與荷載作用下高樁碼頭的縱向計算方法，應用簡便合理，能夠滿足設計精度要求，可作為縱向溫差、受力與縱向抗震的簡化計算方法。所推薦的計算公式均采用顯式表示，適合采用電子表格計算，方便設計應用。

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