水平集中力在高樁框架碼頭排架中的分配系數研究

陳孝建

（江西省港航設計院有限公司，江西南昌 330008）

引言

在長江中下游地區內河碼頭設計中，由于高低水位差較大，經常采用高樁框架結構，該結構可以隨著水位的升降實現船舶的多層系靠。在工程設計當中，經常按照簡化平面排架結構進行計算，水運行業經常使用的易工水運工程結構CAD 集成軟件中的高樁梁板結構和高樁框架式結構的計算均是采用簡化的平面排架結構進行計算，由于水平撞擊力和系纜力為碼頭主要水平受力之一，計算中考慮相對準確合理的分配系數是尤為重要的。

《碼頭結構設計規范（JTS 167-2018）》（以下簡稱規范）附錄F[1]中給出了5 跨～10 跨結構段水平集中力的橫向分力在高樁碼頭排架中的分配系數。但是在實際工作中，因為內河大水位差碼頭經常采用整體現澆上部結構，而規范規定[1]：上部結構為整體澆筑混凝土時，不宜大于35 m。因此進行碼頭結構設計時經常會遇到四跨的情況，而規范中卻沒有給出可供參考的數值。此外，高樁框架碼頭所受水平集中力作用高程的不同也會對分配系數造成影響[2]，而規范未對此做出區分。

趙沖久等研究表明[3]：運用有限元分析模型計算水平集中力在排架中的分配結果與物理試驗模型進行研究的結果具有較好的吻合性，且碼頭面豎向荷載對水平集中力在排架中的橫向分配影響很小，在進行分配系數研究時可不考慮豎向荷載，只施加水平集中力。因此，本文從工程實例出發，運用Autodesk Robot Structural Analysis Professional[4]軟件對高樁框架碼頭進行建模計算，采用有限元分析方法研究了不同作用排架、不同作用高程和不同排架間距水平集中力的分配系數，為高樁框架碼頭平面排架計算分配系數選取提供參考。

1 高樁框架碼頭概況

內河某高樁框架碼頭，碼頭布置四層系靠船平臺，樁基采用1 200 mm 鉆孔灌注樁，樁長30 m 左右。碼頭面高程25 m，設計高水位24.67 m，設計低水位9.85 m。共5 個排架，4 跨，排架間距分別為6.4 m，7 m 和7.8 m，每個排架設置5 根Φ1 200 mm鉆孔灌注樁，面板厚度40 cm（含磨耗層），平臺寬度28 m。碼頭結構斷面圖和樁位圖如圖1 和圖2所示。

圖1 碼頭結構斷面示意圖

圖2 樁位平面布置圖

地質情況：碼頭工程區域除表層淤泥及淤泥質粘性土物理力學性質較差外，其它地層工程地質條件均較好。中風化泥質粉砂巖層面雖有起伏，但物理力學性質較好，厚度大，選為樁端持力層，將基礎置于中風化泥質粉砂巖一定深度。

2 有限元模型建立

采用 Autodesk Robot Structural Analysis Professional 軟件對結構段建立三維空間桿系板殼模型進行計算。計算樁長采用m 法進行計算，計算樁長取為20.5 m，樁底固結，材料均采用C30 鋼筋混凝土，排架間距分別取為6.4 m、7 m 和7.8 m。

不考慮豎向荷載作用，施加100 kN 水平集中力來進行分配系數研究[3]。根據不同靠泊工況，分別將水平集中力作用于排架1、排架2 和排架3。每個排架又對應于5 個不同的作用高程，分別為高程24.6 m，20.5 m，17.3 m，14.0 m 和11.35 m 處。計算模型如圖3 所示。

圖3 有限元計算模型

3 數據分析

通過計算各排架樁嵌固點的支座反力之和與施加的100 kN 水平集中力的比值，獲得了各排架的水平集中力分配系數。計算結果如下表1～3 所示。

表1 在間距6.4m 的排架中的分配系數

表2 在間距7m 的排架中的分配系數

表3 在間距7.8m 的排架中的分配系數

由上表可以得出：分配系數最大值總是位于排架1 或者水平集中力作用的排架。而且在平面排架設計中總是選擇最不利排架進行設計控制，因此為了得出水平集中力在四跨高樁框架碼頭排架中的一般分配規律，以下對排架1 和水平集中力作用的排架做出分析。

1）表中分配系數在排架間距7.8 m、水平集中力作用于排架1 最低點時在作用排架達到最大值0.4861，該值明顯小于規范附錄F 中五跨的分配系數最大值，這與附錄F 中隨著跨數減少，水平集中力作用排架分配系數逐漸增大的趨勢不符。這是由于高樁框架碼頭的下部框架結構發揮了較大作用，結構整體受力性能更好，使得水平集中力在作用排架中分配減小。因此并不能單純按照規范附錄F 來遞推4 跨高樁框架碼頭水平集中力分配系數。

2）水平集中力作用于排架1 和排架2 時，分配系數在排架1 最大，這是由于水平集中力作用的非對稱性，結構整體在水平集中力作用下發生扭轉，導致靠近它的端排架將承受更大的水平力，與規范附錄F 中非中間排架受力時分配規律一致。

3）水平集中力作用于排架3（中間排架）中上部時，結構整體受力均勻，各排架承擔的水平力較為平均，這與規范附錄F 中中間排架受力時的分配規律一致；但是當作用點位于排架中下部時，各排架的不均勻分配逐漸顯現，隨著作用點高程的降低，作用排架的分配系數逐漸增大，作用排架的分配系數最大，排架1 的分配系數最小，二者最大變幅達到37.66 %，因此規范附錄F 對于水平集中力作用于高樁框架碼頭中間排架較低點時并不適用。

4）隨著水平集中力作用高程的降低，作用排架分配系數逐漸增大。這是由于隨著作用點的降低，作用點以上部分框架的作用影響逐漸降低，結構整體受力性能減弱，作用排架所分配的水平集中力增加。

5）隨著排架間距的增大，水平集中力作用排架的分配系數逐漸增大。這是由于隨著排架間距的增大，整個計算模型的整體性有所減弱，水平集中力傳遞到其他排架的部分有所減小。

4 結語

通過以上分析可以得出，對于高樁框架碼頭，由于框架結構可以將水平集中力更好的傳遞到其他排架，使得結構整體受力性能更好，在按平面排架計算需考慮水平集中力分配系數時，按照《碼頭結構設計規范（JTS 167-2018）》附錄F 中的規律進行推算選取偏于保守，導致工程造價提高，應單獨建模進行結構分析。對于高樁框架碼頭平面排架計算，本文給出以下幾點建議供參考：

1）在進行四跨高樁框架碼頭平面排架計算選取水平集中力分配系數時，按照規范附錄F 中的規律進行推算選取會過于保守而間接導致工程造價的提高，因此從經濟合理的角度考慮，建議可參照本文的分析成果，針對具體工程單獨建模分析。

2）設計中對于不同的水平集中力作用高程的系靠泊工況，分配系數的選取應該區別對待，作用高程越低，分配系數越大。

3）在五跨及以上高樁框架碼頭平面排架計算中，當需按規范附錄F 選取水平集中力分配系數時，應同時考慮框架對于結構整體受力的有利影響和作用點高程降低的不利影響，分配系數酌情選用。