水工平臺上建筑物結構設計

劉月紅，韓廣興

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

工程計算中我們通常把水工平臺頂面作為上部結構嵌固點，僅對上部結構進行建模計算。但實際上水工平臺本身在風荷載及地震作用下也會產生位移，進而對上部結構的受力和變形產生影響。水工平臺參與整體建模計算時，水工平臺樁底部嵌固點位置和水工平臺厚度的取值對上部結構計算結果的影響也很大。

師艷景、韓智臣在《地震作用下作業樓與高樁承臺耦合作用分析》[1]一文中，采用ABAQUS有限元軟件整體建模，主要論述了作業樓與高樁承臺耦合作用對水工承臺樁基軸力、彎矩的影響。本文以某水工平臺上的碼頭前方作業樓結構設計為例，從建筑結構設計角度出發，采用PKPM 結構設計軟件建模計算，分析水工平臺參與結構整體建模計算，對前方作業樓上部結構周期、位移及內力的影響。同時比較水工平臺樁底部嵌固點位置及水工平臺厚度取值不同時，上部結構計算結果的差異。

1 工程概況

本工程前方作業樓水工平臺海側邊線距碼頭前沿線42.04 m，采用樁基墩臺式結構，設計高水位 4.3 m，設計低水位 0.5 m，泥面標高-2.0 m。水工平臺結構平面尺寸為41×21.96 m，厚1.9 m，其上設有150 mm 厚面層，墩臺頂面標高6.0 m(包括面層)，墩臺底面標高+3.95 m，墩臺下設φ800 mm 灌注樁及650×650 mm 預應力混凝土空心方樁。碼頭前方作業樓坐落在水工構筑物的平臺上，采用鋼筋混凝土框架結構，長32.1 m，寬15.5 m，建筑面積1 532.0 m2，房屋建筑高度13.5 m，主體三層，四層為局部突出屋面的水箱間。碼頭前方作業樓設計使用年限 50年，工程所在地抗震設防烈度7 度，設計基本地震加速度值 0.15 g。重現期 50 年的基本風壓0.55 kN/m2，地面粗糙度類別為A 類，重現期50年的基本雪壓0.35 kN/m2。

本工程采用中國建筑科學研究院PKPM 結構計算軟件，對建筑物在恒載、活載、風載、地震作用下，根據《建筑結構荷載規范》[2]按承載力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行荷載（效應）組合。采用最不利的效應組合進行內力及變形分析。并按相應規范對構件強度、剛度、穩定進行設計。

2 計算模型

結構設計中，一般將水工平臺頂面作為上部結構嵌固點，僅對上部結構進行建模計算。然而，平臺自身的變形對上部結構的受力也會產生較大影響。特別是抗震設防烈度較高的地區，由于平臺自重比上部結構各樓層的自重大很多，本身就是一個很大的地震質點，地震作用下，平臺自身會產生較大位移，從而帶動上部結構變形，進而影響上部結構的內力及配筋計算。

為了分析水工平臺參與結構整體建模計算對上部結構周期、位移及內力的影響，本文按照如下兩種方案分別建模計算：

1）模型1：水工平臺頂面作為上部結構嵌固點，只對上部結構建模計算；

2）模型2：水工平臺作為建筑物的一層，與上部結構整體建模計算。

圖1 模型一計算簡圖

圖2 模型二計算簡圖

需要特別指出的是，由于本文主要研究對象是碼頭前方作業樓上部結構的變形及受力情況，故選用建筑結構設計時經常采用的PKPM 結構計算軟件SATWE 模塊進行計算，該軟件主要針對常規建筑單體結構設計進行研發，故當水工平臺作為建筑物的一層整體建模時，需對水工平臺構件的輸入作如下簡化：

1）將平臺下設置的φ800 mm 灌注樁,按照面積及截面慣性矩相等的原則，簡化為圓形截面框架柱輸入；

2）將平臺下設置的650×650 mm 預應力混凝土空心方樁,按照面積及截面慣性矩相等的原則，簡化為空心矩形截面框架柱輸入；

3）平臺底面標高+3.950 m，泥面標高 -2.000 m，水工平臺樁計算長度取至泥面以下 3 m 處，計算長度值3.95-（-2-3）=8.95 m，建模時按照9 m 層高輸入；

4）1.9 m 厚水臺板，按照PKPM 軟件計算自重與原設計墩臺自重相等的原則，簡化為“框架梁+樓板”體系輸入；

5）平臺位于水中可不考慮水工平臺層風荷載作用。軟件輸入時，將平臺頂面對應結構標高輸為0，則上部結構風壓高度系數取值與實際相符；將平臺層風荷載體型系數輸為0，則平臺層自身風荷載值為0，與實際相符。

3 平臺參與整體建模對計算結果的影響

3.1 結構自振周期[3]的影響

模型1 及模型2 自振周期計算結果，見表1。可以看出，模型1 第一振型自振周期0.5806 s，模型2 第一振型自振周期0.8199 s，水工平臺參與整體建模計算后結構自振周期明顯增大。

表1 自振周期計算結果表

3.2 地震作用下的樓層最大位移[3]的影響

模型1 及模型2 地震作用下的樓層最大位移計算結果，見表2。可以看出，水工平臺參與整體建模時，水工平臺本身在地震作用下已經產生了14 mm 左右的水平位移，帶動上部結構共同變形，故水工平臺參與整體建模計算后整體結構位移明顯增大。

表2 地震作用下的樓層最大位移計算結果表

3.3 地震作用下樓層最大層間位移角[3]的影響

模型1 及模型2 地震作用下的樓層最大層間位移角計算結果，見表3。平臺參與整體建模計算后各層的層間位移角明顯增大。

表3 地震作用下樓層最大層間位移角計算結果

3.4 小結

通過上述分析，水工平臺參與整體建模得到的計算結果與上部結構單獨建模相比，結構自振周期明顯增大、結構各樓層的樓層最大位移及層間位移角明顯增加，碼頭前方作業樓上部結構各層，尤其是首層的內力及配筋明顯增大，如只按上部結構單獨建模所得結果進行構件計算及配筋，將存在較大的安全隱患。

4 樁底部嵌固點取值對計算結果的影響

從前文分析結果可以看出，水工平臺是否參與整體建模對上部結構計算結果影響很大。而前文所示的計算結果均是假定樁的嵌固點位于泥面以下3 m（樁計算長度9 m）時得到的。事實上，水工平臺樁的實際嵌固位置很難準確計算出來，是一個經驗預估值。嵌固點位置取值不同，水工平臺變形對上部結構的影響也不同。表4 分別給出了水工平臺樁底部嵌固點分別取泥面下0～6 m 時（樁計算長度6～12 m），結構周期及地震作用下層間位移的計算結果。

水工平臺參與整體建模對上部結構1 層的計算結果影響最大，故表格中只統計了上部結構1層的計算結果。由表4 可以看出，水工平臺樁嵌固點取在泥面高度以下0～2 m（樁計算長度≤8 m）時，水工平臺層相對上部結構層剛度較大，水工平臺對上部結構嵌固作用明顯，上部結構平均層間位移隨計算樁長的增加而增加，上部結構內力及配筋值也會相應增加。當水工平臺樁嵌固點取在泥面高度以下3～12 m（樁計算長度≥9 m）時，水工平臺自身剛度減小，對上部結構嵌固作用減弱，隨樁長增加，上部結構平均層間位移反而逐漸減小，結構內力及配筋值也會相應減少，但此時水工平臺自身位移可能已不能滿足設計要求。

表4 水工平臺樁底部嵌固點位置取值不同計算結果

5 平臺板厚度取值對計算結果的影響

設計中，上部結構樓板厚通常只有100 mm，而水工平臺板厚一般取值都在2 m 左右，相當于20 層樓板的重量。在地震作用下，水工平臺層形成一個很大的地震質點，使得結構整體地震力放大，從而上部結構地震力加大。為滿足結構安全要求，不得不加大上部結構梁柱斷面和配筋。

表5 分別給出了水工平臺樁計算長度取 9 m，板厚分別取為1 m 和2 m 時，結構周期及地震作用下層間位移的計算結果。

表5 水工平臺板厚度取值不同計算結果

由表5 可以看出，水工平臺板厚度減小對上部結構變形和受力是有利的。設計時若能在保證結構安全的前提下適當降低水工平臺板厚，既可保證上部結構安全又可有效降低工程造價。

6 結語

水工平臺是否參與結構整體建模，對上部結構的位移及內力計算結果影響很大，如只按上部結構單獨建模所得結果進行配筋及設計將存在較大的安全隱患。建議按照上部結構單獨建模和水工平臺與上部結構整體建模分別建立兩個模型，取最不利結果進行包絡設計。

水工平臺樁底部嵌固點位置取值不同對計算結果影響很大。然而水工平臺樁的實際嵌固位置很難準確計算出來，是一個經驗預估值，其最不利位置取決于水工平臺層與上部結構各層的相對剛度關系，不能一概而論。本文中的算例，將水工平臺樁嵌固點取在泥面下 1～4 m 范圍時，上部結構受力最不利，此時進行上部結構配筋計算是偏于安全的。建議水工平臺上建筑物結構設計時，樁底部嵌固點按不同的位置建模試算，取最不利結果進行上部結構設計。

水工平臺板厚度減小對上部結構變形和受力是有利的。設計時若能在保證結構安全的前提下降低平臺板厚，可有效降低工程造價。