樁基軸向剛性系數對橫梁內力影響

吳志龍，魯盛

（中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007）

0 引言

確定單樁軸向承載力時，按承載力經驗參數法計算的結果和現場試驗檢測結果往往存在一定的差距，這主要是由于在基礎范圍內各樁位的土質遠非勘探資料所能詳盡無遺地加以描述的，各樁位土質也不盡相同，因此計算中所選用的土體力學參數不能完全代表實際情況。碼頭樁基承載力的變化會直接影響到樁基軸向剛性系數的變化，從而直接影響到上部結構內力的變化。在傳統內力分析計算中，通常將樁基承臺梁簡化為彈性連續梁，忽視了樁剛性系數離散性對結構內力重分布的影響，導致計算結果與實際情況存在較大差異。為了研究樁基軸向剛性系數變化對橫梁內力的影響，本文首先通過對典型港區的試樁資料進行分析，研究樁基承載力試樁值與計算值之間的差異，然后據此變化幅度，利用STAAD軟件針對某一碼頭工程橫向排架，對上部橫梁結構內力進行影響性分析[1-3]，為類似高樁碼頭工程設計提供參考。

1 樁基軸向剛性系數

樁的軸向剛性系數即樁頂軸向單位變形所需的軸向力。通常有兩種方法確定樁的軸向剛性系數：一是通過靜載荷試驗獲得樁頂荷載與樁頂沉降的關系曲線，即Q-S曲線，根據該曲線求得軸向剛性系數；二是通過經驗公式確定[4]：1/K=Lo/（EpAp）+1/C，其中Lo為樁在計算泥面以上長度；Ep與Ap分別為樁材料的彈性模量與樁身橫截面面積；C=（115～145）Qud，Qud為單樁垂直極限承載力標準值，由公式可知，單樁承載力的變化必然導致軸向剛性系數的變化。工程實施前，往往都會通過試樁試驗對設計樁基承載力進行校驗，但由于土層分布及土體力學特性在不同區域的差異性，個別試樁試驗并不能完全代表工程區域所有樁基的實際情況。因此，在設計過程中，為了確保結構安全，軸向剛性系數的變化對上部結構內力的影響不容忽視。

2 試樁資料分析

通過對曹妃甸、黃驊地區典型碼頭樁基的試樁資料進行分析[5-7]，找出樁基承載力試樁值與計算值之間的差異，為研究軸向剛性系數對上部結構內力的影響提供一定的基礎數據。各地區試樁Q-S的關系曲線結果詳見圖1。

圖1 試樁Q-S曲線Fig.1 Test pile Q-S curve

試樁結果與理論計算值對比結果詳見表1。

表1 試樁結果與理論計算值對比結果Table 1 Comparison between experimental resultsand theoretical calculation results

通過對試樁資料分析可知，不同地區的樁基承載力試樁值和計算值之間都存在一定的差異，變化范圍約在0.88～1.09之間。

3 碼頭橫向排架數值分析

為了進一步研究碼頭樁基軸向剛性系數離散性對上部結構內力的影響，本文擬利用STAAD軟件對黃驊港四期碼頭工程橫向排架進行計算分析，找出不同樁基軸向剛性系數組合對上部結構內力計算結果的影響。

3.1 工程概況

本工程水工建筑物采用順岸式布置，碼頭和后方陸域采用引橋連接。碼頭長310 m，寬25 m，碼頭前沿設計底高程為-14.0 m，碼頭面高程為6.3 m，樁基采用650 mm×650 mm鋼筋混凝土預應力空心方樁，碼頭結構標準斷面詳見圖2。

圖2 碼頭結構斷面示意圖Fig.2 Section diagram of wharf structure

3.2 模型建立

利用STAAD軟件建立橫向排架平面模型，橫梁采用矩形截面梁單元，寬1.2 m，高2.56 m，材料為C40混凝土，彈性模量3.25×107kN/m2，泊松比0.167，密度2 500 kg/m3。樁基對上部結構的約束作用采用固支釋放支座模擬，定義支座彈簧系數（樁基軸向剛性系數），模擬樁基壓縮變形，簡化后的排架模型如圖3所示。

圖3 橫向排架簡化模型Fig.3 Simplified model of transverse frame

3.3 數值模擬分析

利用本工程地質勘察報告[8]中各土層物理力學性質指標，根據JTS 167-4—2012《港口工程樁基規范》，計算出各個鉆孔處單樁軸向抗壓承載力，結果顯示承載力標準值的平均值約為6 400 kN；結合試樁資料分析的結論，可知樁基承載力變化范圍為5 400～7 000 kN。故擬對3種樁基承載力變幅進行數值模擬分析，詳見表2，其中100%對應的工況即為標準工況。

根據JTS 167-6—2010《高樁碼頭設計與施工規范》中公式3.3.11計算單樁軸向剛性系數；對叉樁軸向剛性系數計算公式[9]如下：

式中：Cmv為叉樁剛性系數；αm、α′m分別為叉樁中兩根樁軸線與垂線的夾角，（°），皆取正值；CeNm、CeNm′分別為叉樁中兩根樁的軸向剛性系數，kN/m。

為充分模擬樁基軸向剛性系數離散性對梁內力的影響，擬對圖3所示5個支座的樁基承載力不同變幅情況設定6種模擬工況，詳見表3，對應的支座剛性系數計算結果詳見表4。

表2 樁基承載力變幅Table 2 Variable amplitude of bearing capacity of pile foundation

表3 模擬工況Table3 Simulation condition%

表4 支座剛性系數Table 4 Stiffnesscoefficient of support 105 kN·m-1

利用STAAD軟件對上述各個工況進行計算，得到不同工況下的橫梁內力，其中梁的最大正負彎矩及最大剪力計算對比結果見表5。

表5 橫梁內力計算結果Table 5 Calculation result of beam internal force

由表5可知，隨著樁基承載力的變化，正彎矩變化率為-6.23%～6.76%，變幅為12.99%；負彎矩變化率為-13.68%～12.47%，變幅為26.15%；剪力變化率為-4.64%～4.60%，變幅為9.24%。梁內力的極值均未出現在海陸兩側樁基承載力變幅相同的情況下（工況1/工況2），由此可知此情況下得到的梁內力只能反映一個平均水平，并沒有將極值包含進去。

4 結語

碼頭結構設計過程中，結構分項系數、安全系數、組合系數等數值的選取中包含了計算模型的簡化、材料的離散、施工工藝誤差等綜合性因素。本文利用典型港區試樁資料，通過對工程區域地質土層的不均勻性、計算模型的可代表性分析可知，樁基承載力不同變幅導致上部結構內力變幅約在9%～27%之間。該分析研究結論可為類似工程設計提供一定的參考，同時建議設計人員應重視對各設計參數的理解與分析。