新型帶有水平撐的全直樁碼頭結構的應用

楊 武，姚祎雯，趙 凱

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州510230)

目前，國內外常用的高樁碼頭形式包括全直樁和帶有叉樁的碼頭結構。帶有叉樁的高樁碼頭結構可以抵抗碼頭水平力，減少結構使用期間的水平位移，結構受力合理，但是叉樁施工困難，尤其是在外海風浪條件惡劣環境下，施工周期長、風險大、造價高[1]。全直樁碼頭具有抗震能力強、施工簡單、結構造價低的優點，但是碼頭水平承載能力弱，使用期間的水平位移大，因此嚴重制約了全直樁碼頭的使用。近年來，隨著碼頭走向深海，外海開敞式高樁碼頭的規模也在增加，如何縮短高樁碼頭施工期，降低施工難度，減少工程造價就顯得尤為重要。葛曉丹對比研究了一種加斜撐的全直樁碼頭，結果表明適當增加斜向支撐對結構的整體剛度具有顯著影響[2]。

本文以某工程為例，提出一種水平撐與全直樁相結合的結構形式，并通過不同方案對比研究水平撐的層數以及斜撐的布設情況對整體結構受力特性的影響，以探討該種結構在外海中的適用性。

1 工程概況

某工程工作平臺尺寸為23.7 m×31.4 m。每個工作平臺由16根直樁、4組水平撐組成。平臺上設置2個SCN2500 F1.5橡膠護舷以及2個快速脫纜鉤，對稱布置，雙側靠泊，平臺斷面見圖1。該工程所處地質表層存在交替出現的厚度不等的黏土和砂，下方為中等風化的膠結黏土或砂，底層為泥巖和頁巖。本文對通過5種情況進行對比分析以探討該種全直樁碼頭結構的適用性。1)工況1：單純全直樁結構；2)工況2：全直樁加1層水平撐結構；3)工況3：全直樁加2層水平撐結構；4)工況 4：全直樁加2層水平撐以及斜撐結構(圖1)；5)工況5：在工況4的基礎上2號和3號樁基也通過橫撐和斜撐相連，形成整體相連結構。

圖1 工況4工作平臺斷面

2 計算模型

2.1 模型的建立

采用有限元軟件建立三維模型進行分析，模型中梁樁等采用梁單元模擬，面板采用殼單元模擬，土體用土彈簧模擬，其彈簧剛度采用P-Y曲線法進行計算，泥面以下的基樁上設置多個節點，每個節點處設置2個垂直于樁身的彈簧，用以模擬水平荷載作用下的樁土相互作用，樁端固接。

2.2 荷載的施加

該碼頭設計船型為12萬DWT的集裝箱船，計算船舶撞擊力(組合編號BL)為5 653 kN，船舶系纜力(組合編號ML)為1 500 kN。分別對比分析不同荷載作用下結構所發生的最大位移和樁基最大內力情況[3-4]。

3 水平力作用下不同結構形式的對比分析

3.1 對平臺水平位移的影響

分別比較系纜力和撞擊力作用下5種方案中工作平臺的水平位移值，結果見表1和圖2。

表1 水平位移值對比

圖2 BL和ML作用下不同工況位移對比

從表1和圖2可以看出：1)全直樁加單層水平撐工況(工況2)與全直樁工況(工況1)相比，位移減少了43%；2)全直樁加雙層水平撐工況(工況3)與全直樁工況(工況1)相比，位移減少了56%；3)全直樁加水平撐以及斜撐工況(工況4)與全直樁工況(工況1)相比，相同荷載作用下結構位移減少了80%；4)所有樁基都通過橫撐和斜撐相連(工況5)與工況4相比，位移基本無變化。

綜上所述，該種帶有水平撐的全直樁碼頭結構對抵抗水平力作用具有顯著效果，采用水平撐的層數以及層間是否采用斜桿連接對結構位移有顯著影響，2、3號樁之間加設水平撐和斜撐對結構位移基本無影響。

3.2 對樁基最大內力的影響

為了對比不同方案的受力情況，統計在ML和BL作用下，不同方案的最大彎矩和最大軸力，結果見表2和圖3。

表2 樁基內力對比

圖3 BL作用下不同工況主樁內力對比

從表2和圖3可以看出：1)工況2與工況1相比，彎矩減小了34%，軸力增加了24%；2)工況3與工況1相比，彎矩減少了46%，軸力增加50%；3)工況4與工況1相比，彎矩減少了48%，軸力增加了60%；4)工況5與工況4相比，內力基本無變化。可見，2、3號樁之間的撐對內力優化并未起到多大作用。

綜上所述，該種帶有水平撐的全直樁結構對提高平臺整體剛度具有顯著的效果。雙層水平撐平臺(加斜撐)能減少55%的彎矩，這對工程方案選擇具有很大的指導意義。同時，斜撐對整體結構受力也有很大影響，并且根據工況5可知，所有樁基均用橫撐和斜撐相連并不可取，對內力優化并無顯著影響。

3.3 對結構整體內力分布的影響

以撞擊力作用為例，不同工況下工作平臺單排4根樁的最大彎矩值用以研究該新型結構的內力分布。圖4給為BL作用下不同工況的樁基內力分布對比。

圖4 BL作用下不同工況的樁基內力分布對比

(1)

式中：γ為撞擊力作用下工作平臺樁基內力的比值；M1代表1號樁的彎矩，M代表實際樁號的彎矩。

從圖4可以看出，全直樁情況下，彎矩分布比較均勻，整體一起受力，所有樁基內力均較大。安裝有水平撐后，彎矩均顯得比較均勻，帶有單層水平撐和雙層水平撐(無斜撐)主樁彎矩之間相差15%左右；工況4情況下，最大樁力出現在1號樁和3號樁上，對于每組水平撐內側的樁，即2號和4號，最大彎矩約減小了20%，此部分樁基在實際工程應用中可以考慮一定的優化空間，工況5與工況4情況相比基本無變化，可見2號樁和3號樁之間用橫撐和斜撐相連對內力優化并無效果。

4 結論

1)該新型帶有水平撐的全直樁結構對于增加結構水平剛度具有很好的效果，單層水平撐、雙層水平撐、斜撐對位移限制均有較好的效果。

2)該結構可有效減少樁基最大內力，在一些斜樁沉樁困難以及沉樁風險較大時，可考慮采用該新型結構替代傳統的結構形式。

3)帶有雙層水平撐的全直樁碼頭結構有無斜撐對內力影響并不顯著，主要起限制變形的作用，在一些位移限制要求不高的工程項目中，可以考慮取消斜撐以節省工程造價。

4)帶有雙層水平撐的全直樁碼頭結構(加斜撐)的內部樁受力較小，在實際工程應用中可以進一步研究以節約工程造價。

5)所有樁基都用橫撐和斜撐相連并無必要，2、3號樁之間相連對位移和內力結果并無影響。