水平荷載作用下叉樁扭轉對高樁碼頭排架的影響

李振國，張潤福，桂勁松

（1.山東省水產設計院，山東 濟南 250013；2.大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧大連 116023）

引 言

高樁碼頭樁基布置應根據使用要求和地質條件等因素合理確定，當碼頭承受較大水平力時，沿受力方向宜布置叉樁或斜樁[1]。作用在橫向排架上的水平力絕大部分由叉樁承受，為了增大其承受水平抗力的能力，宜盡量放緩叉樁的坡度，工程中一般采用的最緩坡度為3：1。為避免樁在泥面下相碰，橫向排架的叉樁或斜樁在設計時需在平面內扭轉一個角度，目前扭轉角度的確定主要從避免碰樁方面考慮，本文從水平荷載作用下橫向排架的內力和變形方面進行了研究。

對于梁板式高樁碼頭，橫梁和樁基組成的橫向排架是主體受力構件，而由叉樁和直樁支承的橫梁是常見結構形式，橫向排架受力后既有變位又有變形，屬于柔性樁臺，橫向排架內力可簡化為平面問題分析[2]。橫向排架按平面桿系結構計算時，樁土相互作用可按m法計算，有經驗時也可按假想嵌固點法計算[1,3]；采用m法的核心問題是如何確定土的m值，雖然已有學者在這方面進行了一些研究工作[4-8]，但是m法操作起來相對繁瑣；對于采用兩種方法得到的計算結果的差異程度，研究[9]顯示當顯著水平α取0.05時，采用m法和假想嵌固點法計算樁土相互作用對水平力作用下橫向排架的內力和變形的影響無顯著差異。

本文以某船舶工業園舾裝碼頭為例，基于假想嵌固點法采用固端約束模擬樁土相互作用，然后利用ANSYS 10.0進行計算，在數值模擬階段，將叉樁平面扭轉角按照公差1°的等差數列從0°遞增到90°進行分析，系統研究了水平荷載作用下叉樁平面扭轉角度對高樁碼頭橫向排架的影響，為工程實踐中合理確定扭轉角度提供了參考。

1 工程背景

某船舶工業園舾裝碼頭為鋼筋混凝土高樁梁板結構，碼頭結構段長80 m，寬10 m，橫向排架間距為6 m，橫梁長度為10 m，橫截面尺寸為1.0 m×1.2 m，采用C35F300混凝土，混凝土的彈性模量為3.15×1010Pa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3；樁基采用 PHC-C500(125)-LB管樁，直樁樁長為27 m（入土深度分別為17 m和18 m），斜樁長28.46 m（入土深度分別為20.03 m和21.08 m），樁的外徑為0.5 m，壁厚為0.125 m，混凝土的強度等級為C80，彈性模量為3.8×1010Pa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。碼頭結構斷面見圖1。

地基土層自上而下分別為4 m厚粘土、5 m厚粉土和粉細砂，粉細砂作為樁基持力層，粘土液性指數IL=0.15；粉土孔隙比e=0.5。根據規范[3]中硬塑狀黏性土的m值范圍和《建筑地基與基礎施工手冊》[10]中粘土的力學性質指標參考數據并結合工程經驗，其m值取22 000 kN/m4。根據規范[3]中彈性長樁的相關規定，經計算1.8T=2.43 m，小于粘土厚度4 m，故取粘土的m值22 000 kN/m4作為樁基入土深度范圍內土體的m值；而4T=5.4 m，小于各樁的入土深度，故均為彈性長樁；然后采用假想嵌固點法求得受彎嵌固點距泥面深度范圍是2.43～2.97 m，樁頂無轉動取較大值2.97 m。結構簡化時不考慮樁帽的作用，假定樁與橫梁固接在一起，水平荷載作用在靠船側橫梁端部，計算示意見圖2。

圖1 碼頭結構斷面示意

圖2 橫向排架計算示意

2 建立有限元模型

通過 ANSYS 10.0建模[11]，橫梁用 BEAM4彈性梁單元模擬，樁基用PIPE16彈性直管單元模擬。根據橫梁和樁的幾何參數及材料屬性，設置BEAM4梁單元和PIPE16管單元的實常數；直樁和斜樁均劃分為27個等長度單元，直樁每個單元長度為1 m，斜樁每個單元長度為1.054 m。求得兩直樁的固結長度分別為14.03 m和15.03 m，嵌固點以下單元數分別為14個和15個。兩斜樁的固結長度分別為17.06 m和18.11 m，嵌固點以下單元數分別為16個和17個，將樁從嵌固點往下施加固端約束。建立的有限元模型見圖3。

圖3 固端約束有限元模型

3 計算結果分析

在數值模擬階段，將叉樁平面扭轉角按照公差 1°的等差數列從 0°遞增到 90°進行了全面的分析，限于篇幅，不能將每個角度所對應的內力值和變形值全部列出，本文根據各個角度對橫向排架內力和變形變化趨勢的影響規律，從91個角度中選擇了14個具有代表性的角度進行計算分析。在每個等級的水平力作用下，分別計算叉樁取不同扭轉角度時橫向排架的內力和變形，由于不同荷載作用下橫向排架的內力圖和變形圖的形狀基本相同，只是內力值和變形值的大小存在差異，所以只給出了橫向排架在水平力為80 kN，叉樁扭轉角為30°時的內力和變形分布（圖4）以供參考。

圖4 橫向排架的內力和變形

通過內力圖和變形圖可以看出，在三種不同的水平力作用下，橫向排架的最大軸力在受壓斜樁④樁身處產生，最大剪力和最大彎矩均在與受壓斜樁④固接的橫梁處產生。為了便于數據的比較和處理，將橫向排架的相應計算結果列表統計（表1）。

表1 橫向排架的最大內力值

不同等級水平荷載作用下橫向排架的最大內力和最大變形隨扭轉角變化的趨勢見圖5、圖6。

圖5 橫向排架的內力變化趨勢

圖6 橫向排架的變形變化趨勢

通過以上圖中曲線變化的趨勢以及實驗數據分析如下：

1）最大軸力分析：通過軸力變化趨勢圖可以看出，橫向排架的最大軸力隨著扭轉角的增大而減?。?/p>

2）最大剪力分析：橫向排架的最大剪力在橫梁處叉樁之間產生，在叉樁扭轉角從0°變化到90°的過程中，橫向排架的最大剪力呈先減小后增大的變化趨勢，而且隨著所承受水平力的增大，出現最小剪力時對應的叉樁扭轉角逐漸增大。

3）最大彎矩分析：在水平力的作用下，隨著叉樁扭轉角的變化，在產生橫向排架最小剪力對應的叉樁扭轉角處，橫向排架的最大彎矩的變化趨勢發生變化，經過該點后，最大彎矩由趨于線性變化轉變為沿著上凸型的曲線遞增，增大幅度明顯變大，即最大剪力變化曲線的最小值點就是最大彎矩變化曲線的拐點，這一點對于橫梁的設計至關重要，因此必須要考慮改點所對應的叉樁扭轉角。

4）橫向變形分析：橫向排架的最大橫向變形值均隨著叉樁扭轉角的增大而增大，且扭轉角為45°時最大橫向變形和最大縱向變形基本相同；

5）縱向變形分析：通過觀察數值模擬過程中橫向排架的變形圖可知，在水平力作用下，叉樁無扭轉角時，高樁碼頭橫向排架沒有側向變形，相當于一個平面結構。隨著叉樁扭轉角的變化，側向變形先增大后減小，當扭轉角變為90°時側向變形趨于零。之所以產生這樣的變化規律，是因為在隨著叉樁扭轉角的增大，直樁和叉樁所承受的軸力也在不斷的變化，其中叉樁軸力對橫向排架的側向變形具有控制作用，通過軸力分布圖可以看到，叉樁中橫向排架后側的那根斜樁一直承受較大的壓力，而前側的那根斜樁在扭轉角很小時承受一定的拉力，隨著扭轉角的增大，其受力逐漸由拉力變為壓力并不斷增大，由于方向與后側斜樁相反，從而兩根斜樁對橫向排架的側向作用相互抵消，側向合力逐漸減小，從而導致側向變形隨之減小。當扭轉角變為90°時，兩根斜樁的側向作用基本相等，從而致使此時的側向變形趨于零。但是，在工程實際中不可能出現叉樁扭轉角變為90°的情況，所以在高樁碼頭設計時，應注意結構的對稱性，從而使側向變形在最大程度上相互抵消。

6）總體變形分析：橫向排架的最大總體變形均隨著扭轉角的增大而先增大后減小。

4 結 語

在水平力作用下叉樁的扭轉角對橫向排架的內力和變形影響較大，在確定叉樁扭轉角時，應該以最大剪力變化的最小值點或最大彎矩變化的拐點所對應的扭轉角為參考，同時考慮最大剪力和最大彎矩對橫梁設計的影響。

綜上所述，在進行高樁碼頭橫向排架設計時，應綜合權衡軸力、剪力、彎矩對梁板及樁基的影響，選擇對結構受力影響最小的叉樁扭轉角度和布置位置，從而保證結構設計的可靠性和經濟性。