淺談樁基—重力式復合結構在深水碼頭中的應用

賀飛

摘 要：隨著現代航運事業不斷向著規模化、泊位深水化的快速發展，碼頭工程建設設計需要挑戰來自惡劣自然條件、深水環境等各方面因素，以往建設的碼頭結構形式也面臨著生產需求的淘汰。可見，怎樣通過科學合理的碼頭結構型式設計，來調整離岸、開敞、深水作業等要求逐步成為當前碼頭水工結構建設需要亟待解決的問題。本課題通過調研國內外碼頭水工結構的前沿信息，提出了現代化的樁基-重力式復合結構形式，并運用傳統計算原理和ANSYS結構模型，對其抗傾抗滑穩定性、抗傾穩定性、基床承載力、組合樁承載力和節點強度等內容進行了計算，并給出了的施工順序。本文的研究展現了樁基重力式碼頭水工結構在深水作業條件下的適用性。

關鍵詞：ANSYS 深水碼頭 樁基 復合結構

隨著傳統碼頭岸線資源的不斷枯竭與現代船舶規模化的要求，加快碼頭結構的深水化發展不斷成為現代碼頭工程建設的重要方向。新型樁基-重力式復合碼頭結構形式不但能夠繼承傳統碼頭結構的優勢，還可以適應現代深水作業條件的要求，不斷成為我國碼頭工程建設研究的重要課題之一。本文通過某實際外海深水碼頭結構的工程建設應用研究，并建立有限元模型分析，驗證其了適用性。

1.工程建設概況

南方某沿海地區包括三個深水港口航運區。由于建設年代久遠，面臨的淤積問題、泊位數量問題等很長時間內難以找到良好的解決方案，并不斷影響到該地區航運的正常運行。此外，大量的船舶泊位受限、碼頭噸位基本低，都嚴重影響了現代的需求，因此，該地區規劃建設新港口噸位達到30萬的港口碼頭工程。

水深問題是該是30萬t碼頭要解決的重要問題之一，該建設區域所處的水深環境、碼頭選煉廠廠址等是該工程設計的主要考慮問題，新建碼頭選址處于水深條件較好的深水區，該區域的-20m等深線范圍距離岸邊的距離不到2公里，比較適合貨物運輸。新建碼頭的整體呈現出“蝶”字形式，總長度為達到450m，其碼頭面標高達到9.0m，其前沿水深達到-24.8m。碼頭整體布置有工作平臺一個、靠船墩兩個。新建碼頭所在區域的地質環境良好，巖面埋藏深度較小。僅從地質環境方面來看，該碼頭比價符合選取樁基-重力式碼頭結構體系。

2 .樁基-重力式復合結構計算和ANSYS模型建立

2.1計算內容與原理

關于樁基-重力式復合結構水工結構的計算，國內外工程實踐中主要控制內容包括：結構體系的抗傾驗算、抗滑移驗算、結構整體穩定性驗算、基床承載性能驗算、下部結構承載性能驗算、連接節點驗算、樁基整體強度驗算等內容。新型結構體系的主要構件如沉箱、砼承臺、鋼管砼樁等的計算要求和指標與傳統鋼筋砼結構體系的計算控制指標相同。主要控制計算原理如下：

（3）基床承載力計算

關于基床的承載性能計算可以參考現行重力式碼頭設計與施工規程之中的計算方法進行計算，公式為：

（4）鋼管混凝土組合樁的計算鋼管砼預應力樁的計算參考傳統鋼筋砼解耦股計算原理。

（5）樁基與沉箱的節點強度的計算

關于樁基和沉箱基礎的節點驗算，是該工程類型碼頭結構體系的關鍵部位之一。目前水工結構類規范并沒有制定特別的計算方式與構造方式，工程實踐中大多數選取端部加固或埋入等方式來實現。具體如圖1所示。

2.2主體水工結構ANSYS建模

（1）實體單元的選取

根據該樁基-重力式復合結構體系的特點，該工程運用有限元模擬軟件 ANSYS來完成該解耦股的建模。由于該碼頭水工結構有多重材料構成，為達到結構實際受力和應變特點，該結構選取三維單元模型進行模擬和分析。

由于水工主體結構選取的是復合鋼筋砼材料，根據有限元模擬的特點，該結構中選取solid65單元進行港口碼頭水工結構模擬。有限元分析內容主要包括下部結構的應變、鋼管砼柱受力特性等；對于鋼管所用的鋼材和沉箱外部結構，選用solid45實體單元進行模擬；對于桿件和支撐體系，該結構中選取link08 進行模擬；關于接觸問題，如鋼管與砼之間的接觸，該項目選用彈簧單元進行模擬。

（2）水工結構建模步驟和結果分析

①實體模型的建立

該主體結構建模首先使用CAD軟件做出線框模型，并運用ANSYS軟件所給出的接口將其導入，實現實體單volume建模。

②網格劃分

由于該結構整體體積較大，因此選用自由劃分，網格長度為1.0m。該課題運建立的ANSYS有限元結構模型見圖2所示。

2.3計算結果分析對比

結構計算內容主要包括 工作平臺、靠船墩、引橋、系纜等部分。驗算內容主要包括結構的抗滑移力大小、抗傾覆力矩、基床頂面應力等內容。通過對主要指標的運算，能夠展現出了樁基—重力式符合結構體系的良好承載性能。

通過運算發現，該新建碼頭工程在靠船墩、系纜墩等部分的抗傾穩定性方面，要比其他結構大1.2倍，相比重力式結構體系也增加了8%左右；其抗滑穩定系數方面，也能達到規范的要求。對于結構的引橋墩的抗傾穩定性方面，該結構的系數超出傳統重力式的增加了45%左右。

通過有限元分析結構能夠看出，運用樁基-重力式結構體系，能夠有效解決港口碼頭工程建設所面臨的深水、大跨度、不均勻沉降等問題。對于傳統碼頭安裝與使用過程之中，經常出現傾斜問題，導致后期安裝的糾偏困難和使用功能難以實現等問題，必須通過合理的設計和施工安裝計算來實現。

3.施工特點和主要工序

3.1施工特點

通常深水碼頭選用的水工結構形式包括許多種，由于工程量較大，并受到復雜海域環境的影響，導致樁基—重力式符合結構的施工難度較大。

該結構形式碼頭施工現場對場地的要求比較嚴格，通常會準備比較大的預制場地來進行變截面的沉箱、管樁來安裝，施工過程需借助大型船只設備來配合完成。該工程施工需要結合工期要求，對于施工船機、人員配置與項目組織管理等方面，該復合結構體系提出了較高的要求。

3.2施工順序

由于該碼頭選用的樁基-重力式復合水工結構體系，在設計和施工方面的特殊性，要求必須采取科學的施工工序來建設，具體如下：

樁基—重力式碼頭結構的施工準備→樁基工程施工→預制基礎結構吊裝→地基處理和基床施工→基床拋石與平整處理→半潛駁出運復合結構體系施工，協調浮吊結構安裝→水下部分基礎施工→鋼管砼主體結構的承臺部分澆筑施工→附屬構件的安裝施工。

4.結論

當前國內關于樁基-重力式復合結構體系的碼頭工程建設案例還比較少，本文借助國內實際工程案例，對新型樁基-重力式深水碼頭結構，本文通過ANSYS有限元軟件，對結構的抗滑移穩定性、結構整體穩定性、傾覆力矩等進行了分析，驗證了其適用性。同時本文還給出了新型結構體系的具體施工流程和施工注意事項進行了探討，希望本文的研究，能夠為類似碼頭水工結構的設計和施工提供指導和參考。

參考文獻：

[1]中華人民共和國交通運輸部.JTS 145-2015，港口與航道水文規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]中華人民共和國交通運輸部.JTS 144-1-2010，港口工程荷載規范[S].北京：人民交通出版社，2010.

[3]王云球.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4]孫子宇.離岸深水港建設關鍵技術[J].中國港灣建設，2010（增刊 1）.1-11.

[5]中華人民共和國交通運輸部.JTS 167-1-2010，高樁碼頭設計與施工規范[S].北京：人民交通出版社，2010.