高樁碼頭在水平集中力作用下樁力計算方法探討

楊亞先，張建紅

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

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高樁碼頭在水平集中力作用下樁力計算方法探討

楊亞先，張建紅

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

在水平集中力作用下的高樁碼頭，分別采用平面排架與三維空間模型對樁基進(jìn)行分析。從樁基內(nèi)力結(jié)果看出，兩種方法計算結(jié)果相近。但從技術(shù)發(fā)展、計算的直觀、概念清晰以及業(yè)主的需求角度，建議工程設(shè)計人員更多的使用三維空間模型計算方法。

高樁碼頭；平面排架計算；三維空間模型計算

引 言

在高樁碼頭結(jié)構(gòu)中，樁基內(nèi)力的計算是工程設(shè)計的關(guān)鍵。從技術(shù)發(fā)展、計算的直觀以及業(yè)主的需求角度，三維空間模型顯然更具優(yōu)勢，且對于某些較為特殊的碼頭結(jié)構(gòu)規(guī)范也認(rèn)為結(jié)構(gòu)內(nèi)力宜按空間模型計算。本文分別采用平面排架與三維空間模型對高樁碼頭進(jìn)行內(nèi)力計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

1 基本概況

本文研究對象為印尼某工程，設(shè)計船型為14 000 DWT駁船，根據(jù)船舶荷載計算，最終選用兩鼓一板700H錐型護(hù)舷，護(hù)舷間隔布置，單個護(hù)舷吸能量131 kJ，設(shè)計反力360 kN。碼頭樁臺共分兩個結(jié)構(gòu)段，每個結(jié)構(gòu)段長76.49 m（共10跨），寬度25 m，排架間距7.35 m，每個排架選用7根直徑1.0 m的PHC樁，每個排架布置2對叉樁，3根單直樁。碼頭結(jié)構(gòu)斷面詳見圖1。

圖1　碼頭結(jié)構(gòu)斷面

2 計算方法

本文主要研究高樁碼頭在水平力作用下泥面以上樁基內(nèi)力計算，因此以下分析均按照嵌固點法計算，僅考慮撞擊力不利組合作用下的受力情況。承受水平力的高樁碼頭結(jié)構(gòu)入土深度宜滿足彈性長樁條件。根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012）中的公式確定T：

式中：

t為受彎嵌固點距泥面深度（m）；

T為樁的相對剛度特征值（m）；

h為系數(shù)，取1.8～2.2，樁頂鉸接或樁的自由長度較大時取小值，樁頂無轉(zhuǎn)動或樁的自由長度較小時取較大值；

Ep為樁的彈性模量（kN/m2）；

Ip為樁的截面慣性矩（m4）；

m為樁側(cè)地基土水平抗力系數(shù)隨深度增加的比例系數(shù)（kN/m4），當(dāng)無試樁資料時，可按規(guī)范查表取值；

b0為樁的換算寬度（m），當(dāng) d≥1.0 m時，b0=kf（d+1），當(dāng)d＜1.0 m時，b0=kf（1.5d+0.5）；

kf為樁形換算系數(shù)，圓樁或管樁取0.9，方樁或矩形樁取1.0。

根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《港口工程樁基規(guī)范》（JTS 167-4-2012）彈性長樁、中長樁、剛性樁劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1　樁基劃分標(biāo)準(zhǔn)

按照本工程地質(zhì)條件，經(jīng)計算受彎嵌固點距泥面深度1.8T～2.2T=5.4～6.0 m（取6.0 m）、4T=12 m，樁基結(jié)構(gòu)的入土深度大于12 m滿足彈性長樁條件，屬于彈性長樁。

3 模型建立

3.1 平面排架模型的建立

根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)幾何尺寸，利用國際通用有限元計算軟件ARGOL建立平面排架模型，不考慮叉樁的平面扭角。根據(jù)嵌固點法確定計算樁長，并對樁底進(jìn)行各向平動和轉(zhuǎn)動的全約束，見圖2。

圖2　平面排架模型

3.2 三維空間模型的建立

根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)幾何尺寸，利用國際通用有限元計算軟件ARGOL建立三維墩臺模型，為與平面模型一致也不考慮叉樁的平面扭角。根據(jù)嵌固點法確定計算樁長，并對樁底進(jìn)行各向平動和轉(zhuǎn)動的全約束，見圖3。

圖3　三維空間模型

3.3 荷載及材料參數(shù)

1）荷載

本文主要研究碼頭結(jié)構(gòu)在水平撞擊力不同組合作用下的受力情況，因此計算過程中僅考慮撞擊力作用。兩種計算模型的荷載考慮如下：

平面排架模型：根據(jù)實際受力情況，考慮單組或多組護(hù)舷荷載作用，護(hù)舷荷載通過分配系數(shù)分配到不同排架，然后對每個排架進(jìn)行受力分析，找出各個排架的控制內(nèi)力。

三維空間模型：根據(jù)實際受力情況，考慮單組或多組護(hù)舷荷載作用在高樁碼頭的一個完整結(jié)構(gòu)段上，然后對每個排架進(jìn)行受力分析，找出各個排架的控制內(nèi)力。

2）材料

PHC樁：樁的彈性模量 Ep=3.8×107 kN/m2；泊松比μ取0.2。

縱橫梁：梁的彈性模量Ep=3.35×107 kN/m2；泊松比μ取0.2。

4 內(nèi)力分析

利用平面排架模型及三維空間模型分別對 11個排架中的四個主要樁力進(jìn)行了計算，得出在撞擊力作用下各樁樁力標(biāo)準(zhǔn)值。計算結(jié)果見表 2。表中拉樁力為正，壓樁力為負(fù)。計算誤差數(shù)值以平面排架計算結(jié)果為基礎(chǔ)，將三維模型計算結(jié)果大于平面排架計算結(jié)果定為正值，小于平面排架計算結(jié)果定為負(fù)值。

表2　各樁樁力值對比

從表2中可以看出，兩種計算方法得出的每個排架上拉樁力和壓樁力分布趨勢基本一致，大部分樁的樁力值結(jié)果相差不超過6 %，但極個別排架樁力值結(jié)果相差較大，最大誤差達(dá)到16.5 %。

5 結(jié) 語

1）針對以上布樁形式，采用兩種計算方法得出的每個排架上拉樁力和壓樁力分布趨勢基本一致，大部分樁的樁力值結(jié)果相差不超過6 %，但極個別排架樁力值結(jié)果相差較大，最大誤差達(dá)到16.5 %，誤差最大的排架出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)段端頭的兩個排架。鑒于此，建議工程設(shè)計人員在進(jìn)行此種布樁形式的高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用三維空間模型分析方法。

2）高樁碼頭布樁形式受樁基施工的影響，排架內(nèi)斜樁均會與排架有一定夾角。因此，實際每根樁會在平面上產(chǎn)生兩個方向的彎矩，而采用平面排架模型僅能得到排架方向彎矩和剪力，不能得到垂直于排架方向的彎矩和剪力。

3）對于某些結(jié)構(gòu)較為特殊，比如縱向剛度特別大或特別小及需縱向承受水平荷載的高樁碼頭結(jié)構(gòu)建議采用三維空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。

本文只是針對一種布樁形式進(jìn)行了平面模型與三維空間模型樁基結(jié)構(gòu)受力的對比，在實際工程中根據(jù)不同的邊界條件，不同的樁基布置形式，兩種模型計算的樁基受力結(jié)果也會有所不同，設(shè)計人員在進(jìn)行工程設(shè)計時，要結(jié)合具體的布樁形式，合理選擇計算模型。

［1]JTS167-1-2010 高樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范［S］.

［2]JTS167-4-2012 港口工程樁基規(guī)范［S］.

［3]翟秋， 魯子愛， 朱峰. 撞擊力作用下拱式縱梁碼頭排架受力特性分析［J］. 中國港灣建設(shè)， 2013（5）: 1-4.

［4]王多垠， 張華平， 史青芬， 等.大水位差全直樁框架碼頭排架中的水平撞擊力分配系數(shù)研究［J］. 中國港灣建設(shè)， 2009（3）: 23-25.

Discussion on Pile Load Calculation Method Applying to Piled Wharf under Horizontal Concentrated Force

Yang Yaxian， Zhang Jianhong
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

For the piled wharf under horizontal concentrated force， the piled foundation has been analyzed by using plane bent method and 3D space-model respectively. The above two methods deduce similar internal force of pile foundation. However， it is proposed to adopt 3D space-model from the aspects of technical development，computing visualization， concept clarity and need by the client.

piled wharf； plane bent calculation； 3D space-model calculation

TU473.1+2

A

1004-9592（2016）03-0041-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160311

2015-08-10

楊亞先（1981-），女，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。