中小型高樁梁板式碼頭結構優化研究

李 超，馬 瑞，王麗芳

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

高樁梁板式碼頭結構作為一種環境友好型結構型式，其透空性不僅可以增加水體交換空間，同時還能減少波浪反射，有利于船舶作業，因此在地質條件適合的碼頭結構中應用較為廣泛。然而傳統的高樁梁板式結構，由于船舶靠泊安全需要，橫向排架間距受限，樁基能力往往得不到充分發揮，造成材料浪費。基于此，依托某旅游休閑碼頭工程，本文提出了一種適用于中小型碼頭，既能滿足靠泊需求又可以充分發揮樁基能力、降低工程投資的新型高樁梁板式結構，并結合該結構特點，對其適宜的計算方法和擬合方式進行了研究探索。

1 工程概況

某旅游休閑碼頭工程為依托已建的斜坡式護岸，通過工程建設將其改建為直立式碼頭。受用海政策、陸域作業空間、自然條件、施工條件、建設工期等多方面因素影響，經對比分析，高樁結構型式較重力式結構、板樁結構更為適宜。

通過進一步深入研究，經對高樁墩式、高樁梁板式、高樁無梁板式結構進行技術經濟比較，可知高樁梁板式結構具有預制裝配率高、施工速度快、投資更為節省等優點，因此推薦高樁梁板式結構方案為優選方案。

1.1 建設條件

1）設計船型

對擬靠泊實船船型尺度進行匯總分析，設計代表船型主尺度詳見表1。

表1 設計船型主尺度表Tab.1 Design ship type main dimension table

2）設計波浪條件

碼頭前沿50 年一遇設計波浪要素詳見表2。

表2 設計波浪要素Tab.2 Design Wave Element Table

1.2 高樁梁板式結構初步方案

該工程碼頭面頂高程3.5 m，前沿設計底高程-2.6 m，采用全直樁的高樁梁板式結構，由下部樁基礎和上部梁板結構組成。下部樁基采用直徑 1 000 mm 的混凝土灌注樁，橫向排架間距6 m，其上為現澆樁帽和預制安裝的鋼筋混凝土梁板結構。護舷布置在懸臂式靠船構件上，為滿足船舶靠泊需要，靠船構件底位于設計低水位以下。為減少溫度應力和不均勻沉降帶來的影響，結構分段長度 63 m，采用懸臂式結構縫。

圖1 原碼頭結構斷面圖Fig.1 Cross section diagram of the original dock structure

2 結構優化設計

對于高樁梁板式碼頭結構的優化設計，孫文俊等[1]提出對碼頭結構的整體布局進行優化設計是一個合理且快捷的途徑；邱喜等[2]以工程造價最優為目標，對樁基整體布置和上部構件進行優化，研究結果表明樁基布局優化對投資的影響最為顯著，達95 %左右。結合上述研究成果，以節省工程投資，充分發揮樁基能力為目標，從樁基布置、結構分縫型式、靠船構件三個方面開展優化研究工作。

2.1 樁基布置優化調整

樁基作為高樁碼頭結構的基礎及主要受力單元，其投資一般可占到結構總投資的1/2。以往對樁基布置的優化調整，通常以樁基和橫梁組成的橫向排架作為優化設計單元，通過調整排架間距，以“長樁大跨”的型式實現降低工程投資的目的。對于本工程，排架間距受限于小型游船的靠泊需求，間距不宜大于6 m，優化設計單元由橫向排架調整為樁基基礎。

對原設計方案進行分析，知結構中、后排樁受力及變形小于海側前排樁。為兼顧考慮船舶靠泊、樁基能力發揮及上部梁系安裝，海側樁基間距維持6 m 不變，中、后排樁基間距取為海側樁基間距的整數倍。因原高樁梁板式結構方案的樁基能力已發揮70 %左右，故從結構安全考慮，陸側樁基間距取為海側樁基間距2 倍，為12 m。

圖2 優化調整后的樁基布置示意Fig.2 Schematic diagram of optimized and adjusted pile foundation layout

2.2 結構分縫型式優化

高樁碼頭結構縫的分縫型式可分為懸臂式、簡支式及橫梁分開式[3]。懸臂式結構縫的特點為受懸臂結構受力影響，懸臂式結構段長度一般為2.5～ 3.0 m，遠小于一般跨長度；簡支式結構縫的特點是可加大分縫段長度，但無法協調結構段之間的前后水平位移[4]；橫梁分開式為將設置結構縫處的橫梁分為兩半，分縫段長度同一般跨，但需增設擋塊等措施確保梁的穩定性。

為進一步減少樁基根數，發揮樁基能力，基于分縫段長度與一般跨跨度相同的原則，綜合簡支式和橫梁分開式結構縫型式特點，提出一種新型簡支式結構縫。該結構縫布置于樁基中心位置，對相鄰結構段進行有效分隔。面板間、縱梁間設置凹凸榫，加強相鄰構件的整體性和安全性。面板間、縱梁間、橫縱梁之間均填充彈性支承材料，減小碼頭水平方向變形。

圖3 位于樁中心的新型簡支式結構縫示意Fig.3 Schematic diagram of a new type of simply supported structural joint located at the center of the pile

2.3 靠船構件優化調整

常見的高樁碼頭靠船構件一般采用懸臂板式、懸臂梁式結構，該結構型式會對海側樁基產生附加樁頂彎矩。為進一步優化樁基受力，采用大剛度靠船塊體取代傳統的靠船構件，將樁帽結構與靠船結構統籌設計。同時在靠船塊體之間增設擋浪邊板，減少波浪上浮力及樁基上拔力。

圖4 靠船塊體及擋浪邊板斷面示意Fig.4 Schematic diagram of the section of the berthing block and the wave blocking edge plate

圖5 靠船塊體及擋浪邊板立面示意Fig.5 Diagram of the facade of the berthing block and the wave blocking edge plate

2.4 優化后的結構方案

碼頭采用全直樁高樁梁板式結構。樁基采用直徑1 200 mm 的混凝土灌注樁，沿碼頭長度方向第一排樁間距為6 m，第二、三排樁間距12 m；海側樁上部現澆靠船塊體，塊體尺寸長×寬×高為2.2 m ×2.75 m×1.4 m，靠船塊體間設置擋浪邊板；上部結構為預制安裝橫梁、縱梁及面板結構，面板上設置排氣孔，上部澆筑碼頭面層。沿碼頭長度方向設置結構縫，采用新型簡支式結構縫，分縫段跨度同一般跨。

與原設計方案相比，樁基根數由傳統結構的175 根降至147 根，樁基能力發揮程度由原來的 70 %提升至84 %左右，樁基費用由原來的2 692.76萬元降至2 308.11 萬元，工程總投資由原來的 15 505.71 萬元降至14 882.55 萬元，共降低工程投資623.16 萬元。

3 計算方法研究

3.1 計算模型初選

由于優化后的結構方案空間特征顯著，采用有限元方法按空間模型進行結構計算更為適宜。對于高樁梁板碼頭的計算方法，張兵等[5]提出采用空間模型計算時，面板對樁基內力影響較小，對縱橫梁彎矩影響較大，建議在設計中合理考慮面板對縱橫梁的約束影響；蔡建冬等[6]也針對面板對結構內力的影響進行了研究，面板可起到勻化水平荷載的作用，減少樁和梁的截面尺寸；關興[7]對水平力作用下碼頭樁基采用m 法和嵌固點法進行了對比分析，提出對于全直樁碼頭結構計算，嵌固點法計算結果較為保守，建議在施工圖階段，采用m 法進行計算，保證結構內力和變形計算的準確性。結合上述研究成果及相關規范[8]要求，在進行空間模型計算時，可適當考慮面板的有利影響，采用m 法，利用ABAQUS 軟件進行結構內力計算。

3.2 單元類型選擇

根據各構件的受力情況進行分析，模擬采用的單元類型分述如下：

1）樁基礎采用梁單元進行模擬；

2）樁帽、大剛度塊體及擋浪邊板采用實體元進行模擬；

3）由于樁基為空間布置，故上部橫梁、縱梁在非均布或對稱荷載作用下，會出現雙向受彎及受扭，因此橫梁及縱梁采用實體元進行模擬最為適宜。且根據以往研究成果，縱橫梁中性軸位置若與工程實際不相符，會導致除樁力外的其他構件內力產生較大誤差。故模型在建立時，需保證為按縱橫梁實際高程進行數值計算[9]；

4）上方面板采用板單元進行擬合。

3.3 樁基與上部結構連接方式的擬合研究

在計算模型初步確定的基礎上，筆者對樁基與上部結構的連接方式進行了擬合研究。根據工程特點，選擇Tie（綁定）、Coupling（耦合）及Embedded region（嵌入）三類方式進行樁基與上部結構連接方式的擬合研究，并細分為8 種模擬方式分別對樁頂變位、樁軸力、樁彎矩、樁身剪力進行分析。

為便于分析計算結果，按照樁頂變位逐漸增大的趨勢，對8 種計算模式進行編號：1）耦合-運動耦合；2）耦合-分布耦合；3）tie:樁+殼單元+樁帽實體單元（殼單元厚度0.8 m）；4）嵌入擬合（嵌入深度0.7 m）；5）tie:樁+殼單元；6）嵌入擬合（嵌入深度0.6 m）；7）嵌入擬合（嵌入深度0.1 m）；8）tie:樁+殼單元+樁帽實體單元（殼單元厚度0.2 m）。

圖6 計算結果分析Fige.6 Analysis of calculation results

對上述計算結果進行研究分析可知：

1）樁頂變位呈遞增趨勢，可知上述8 種擬合方式的連接剛度逐漸減小；

2）除計算模式5 外，其余計算模式在軸力、彎矩和剪力的擬合結果均成漸變狀態；

3）連接方式的變化對樁基軸力和剪力影響不大，對樁基彎矩影響較為顯著，其中擬合方式1，即運動耦合方式計算所得彎矩較大。

因此，建議在進行樁基與上部結構連接方式擬合時，采用運動耦合方式進行模擬計算，計算所得結果更為安全。

4 結語

1）本文針對中小型高樁梁板式結構，其排架間距受限，樁基能力無法充分發揮的問題，通過優化樁基布置、優化結構分縫型式及靠船構件設置，提出一種新型高樁梁板式結構，實現了結構優化和投資節約；

2）文中提出的新型簡支式結構縫，集合了傳統簡支式結構縫和橫梁分開式結構縫的優點，不僅加大了分縫段跨度，還可協調各結構段變位，經進一步實踐檢驗后，可加以推廣應用；

3）大剛度靠船塊體與擋浪邊板組合形成的靠泊體系，不僅適用于中小型碼頭，在潮差較大的工程中，也可加以應用；

4）在進行有限元模擬計算時，采用m 法，在合理選用各構件模擬單元類型基礎上，樁基與上部結構的連接推薦采用運動耦合的方式加以模擬，計算結果偏于安全。