長江中上游大水位差碼頭鋼管混凝土樁基礎設計

李春平，王 彪

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

引言

樁基部分占碼頭造價一半以上，同時樁基直接決定了碼頭結構是否安全穩定,因此樁基設計對于碼頭結構設計而言非常關鍵。目前，河港普遍采用高樁梁板結構型式，常用的樁基結構型式有PHC管樁、鋼管樁、灌注樁、嵌巖樁等。長江中上游地區由于其水流力大、水位差大的特點，同時具備中風化巖等良好樁基持力層，常見的樁基型式為全直灌注型嵌巖樁并采用鋼護筒護壁。對于此類碼頭，由于持力層可達到較高的飽和單軸抗壓強度，豎向承載力均可滿足要求。巖體之上又有較厚覆蓋層，在水平荷載作用時，其上覆土層即滿足水平承載力要求，大多數情況下起控制的因素為碼頭結構位移。在碼頭結構設計中，設計人員基于保守考慮，通常做法是將鋼管強度作為富裕儲備，僅考慮砼芯柱的作用，實際受力機理應是鋼管和混凝土共同受力。在建筑和橋梁工程中，對鋼管混凝土樁基礎有一定的研究，如萬城勇等[1]通過試驗研究了配筋率、縱向受力鋼筋屈服強度等對鋼管混凝土受力性狀影響的變化規律。查曉雄等[2]利用疊加原理，提出了配筋鋼管混凝土構件的軸壓和抗彎承載力計算公式。千島湖大橋是國內首次對鋼管混凝土樁大規模應用的樁基。但在水運工程尤其是碼頭工程中，鮮見對鋼管混凝土樁基的研究應用。

本文以宜昌港宜都港區枝城作業區鐵水聯運碼頭一期工程為依托，利用易工有限元軟件進行有限元建模分析，探討鋼管混凝土樁基中樁徑、鋼管壁厚、砼強度等級、排架樁數、排架橫撐對碼頭結構位移的影響，為基于鋼管混凝土樁基碼頭設計提供參考。

圖1 碼頭結構斷面示意圖

1 宜昌某碼頭實例

1.1 自然條件

1）風速采用9 級風，V=22 m/s。

2）設計高水位：47.20 m（三峽成庫后，控制枝城站流量56 700 m3/s 所對應的擬建港區水位）；

設計低水位：35.27 m（保證率98 %）；設計河底高程：30.77 m。

3）碼頭前沿最大流速為2.0 m/s。

4）樁基持力層：灰巖，飽和單軸抗壓強度23.1 MPa。

1.2 碼頭結構

平臺總長265 m，寬30 m。排架間距為8.8 m，共32 榀排架。排架基礎采用鋼管混凝土樁基礎，前排樁縱向設置鋼縱撐，為增加碼頭平臺的橫向剛度，橫向樁與樁之間設鋼橫撐。平臺上部結構由橫梁、前邊梁、后邊梁、軌道梁、縱梁、迭合面板、系纜平臺和鋼靠船構件等組成。

鋼管混凝土樁徑：選用6 種樁徑來分析，分別為0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m、1.4 m。

鋼管壁厚：分別選用δ=10 mm、12 mm、14 mm、16 mm 四種進行分析。

排架樁基數量：排架樁數分別選用n=4、5、6根進行分析。

砼強度等級：分別選用C30、C35、C40、C45進行分析。

1.3 荷載條件

碼頭面堆貨荷載標準值：按30 kN/m2考慮，軌道兩側各1.5m 范圍不考慮堆貨荷載。

起重機械荷載：41 t-22 m 集裝箱岸橋、45 t-30 m 多用途門機、25 t-30 m 門機。

流動機械荷載：40 英尺集裝箱拖掛車荷載、QC45 牽引車荷載、40 t 平板車荷載。

1.4 荷載組合

1）持久狀況承載能力極限狀態持久組合

永久作用(結構自重)+主導可變作用(裝卸機械荷載)+非主導可變作用(船舶荷載、碼頭面均布荷載、流動機械荷載)；

永久作用(結構自重)+主導可變作用(船舶撞擊力)+非主導可變作用(碼頭面均布荷載、裝卸機械荷載、流動機械荷載)；

永久作用(結構自重)+主導可變作用(船舶系纜力)+非主導可變作用(碼頭面均布荷載、裝卸機械荷載、流動機械荷載)；

永久作用(結構自重)+主導可變作用(碼頭面均布荷載)+非主導可變作用(船舶荷載、裝卸機械荷載、流動機械荷載)。

2）持久狀況正常使用極限狀態準永久組合

永久作用(結構自重)+可變作用(裝卸機械荷載、碼頭面均布荷載、船舶荷載、流動機械荷載)。

2 有限元模型計算分析

采用易工有限元計算軟件，建立碼頭有限元模型，其中鋼管混凝土樁基簡化為下端嵌固在巖層中的彈性長樁，嵌固點深度采用m 法計算。樁和橫梁為剛性連接，梁板均為連續結構。

圖2 碼頭結構有限元模型

2.1 樁徑、壁厚改變對碼頭位移的影響

采用易工有限元軟件對碼頭結構進行建模計算，如圖所示。選用了6 種樁徑，4 種鋼管壁厚。下圖為碼頭結構位移隨樁基、鋼管壁厚的變化關系。

由圖3 可知：

圖3 碼頭位移隨樁徑、鋼管壁厚的變化規律

1）在鋼管壁厚δ=10 mm 下，樁徑由0.9 m 到1.0 m，位移減小8.2%；樁徑由1.0 到1.1，位移減小6.7%；樁徑由1.1 m 到1.2 m，位移減小5.7 %；樁徑由1.2 m 到1.3 m，位移減小4.9 %；樁徑由1.3 m 到1.4 m，位移減小4.1 %；

2）在鋼管壁厚δ=16 mm 下，樁徑由0.9 m 到1.0 m，位移減小7.1 %；樁徑由1.0 到1.1，位移減小5.8 %；樁徑由1.1 m 到1.2 m，位移減小4.9 %；樁徑由1.2 m 到1.3 m，位移減小4.4 %；樁徑由1.3 m 到1.4 m，位移減小3.7 %；

3）樁徑為0.9 m 時，鋼管厚度有δ=10 提高到δ=12，位移減小3.6 %；鋼管厚度有δ=12 提高到δ=14，位移減小3.3 %；鋼管厚度由δ=14 提高到δ=16，位移減小3.1 %；

4）樁徑為1.4 m 時，鋼管厚度有δ=10 提高到δ=12，位移減小2.1 %；鋼管厚度有δ=12 提高到δ=14，位移減小2.1 %；鋼管厚度有δ=14 提高到δ=16，位移減小1.9 %。

分析可知：提高樁基直徑和增加鋼管壁厚，對提高鋼管混凝土樁基剛度效果明顯，可顯著減小碼頭整體位移；在鋼管壁厚一定下，隨著樁徑的增加，對于提高剛度的影響越來越弱，不可一味的增加樁徑來減小碼頭位移。小樁徑時，增加鋼管壁厚對于提高碼頭剛度更為明顯，隨著樁徑的增加，通過增加壁厚提高剛度的影響越來越小。當樁徑較大時，增加鋼管壁厚對碼頭位移的影響不如小直徑樁。

2.2 樁徑、樁數對碼頭位移的影響

選用了6 種樁徑、3 種排架樁數選用三種樁數，分別建立有限元模型，研究樁徑和樁數對碼頭位移的影響規律。

由圖4 可知：

圖4 碼頭位移隨樁徑、樁數的變化規律

1）橫向排架設置4 根樁時，樁基直徑由0.9 m提高到1.0 m，位移減小7.1 %；樁基直徑由1.0 m提高到1.1 m，位移減小5.3 %；樁基直徑由1.1 m提高到1.2 m，位移減小4.5 %；樁基直徑由1.2 m提高到1.3 m，位移減小3.9 %；樁基直徑由1.3 m提高到1.4 m，位移減小3.1 %；

2）橫向排架設置6 根樁時，樁基直徑由0.9 m提高到1.0 m，位移減小8.5 %；樁基直徑由1.0 m提高到1.1 m，位移減小6.6 %；樁基直徑由1.1 m提高到1.2 m，位移減小5.8 %；樁基直徑由1.2 m提高到1.3 m，位移減小4.9 %；樁基直徑由1.3 m提高到1.4 m，位移減小4.4 %；

3）當樁基采用小直徑時（0.9 m），排架樁基根數由4 根提高到5 根，位移減小14.8 %；排架樁基根數由5 根提高到6 根，位移減小13.2 %；當樁基采用大直徑時（1.4 m），排架樁基根數由4 根提高到5 根，位移減小17.9 %，排架樁基根數由5 根提高到6 根，位移減小15.9 %。

分析可知：排架設置較多樁數，更有利于增強排架剛度，減小位移；在一定的樁數下，隨著樁徑的增加，剛度提升作用減弱。當采用大直徑樁時，通過提高排架樁數相對于小直徑樁基對于減少碼頭位移更為有利。

實際碼頭設計過程中，不可一味的通過增加碼頭樁基直徑和排架樁數來提升碼頭剛度，應多方面進行技術經濟比選。

2.3 樁徑、砼強度等級對碼頭位移的影響

選用了6 種樁徑、4 種砼強度等級分別建立有限元模型，研究樁徑和樁基砼強度等級對碼頭位移的影響規律。

由圖5 可知：

圖5 碼頭位移隨樁徑、砼強度等級的變化規律

1）樁徑為0.9 m 時，砼強度由C30 提高到C35，位移減小1.8 %；砼強度由C35 提高到C40，位移減小1.2 %；砼強度由C40 提高到C45，位移減小0.9 %；

2）樁徑為1.4 m 時，砼強度由C30 提高到C35，位移減小1.5 %；砼強度由C35 提高到C40，位移減小1.0 %；砼強度由C40 提高到C45，位移減小0.9 %；

分析可知：提高混凝土強度對于碼頭剛度的影響并不十分明顯；

隨著樁基直徑的增加，這種影響越來越弱，因此不建議采取提高混凝土強度的方式減小碼頭位移，河港設計中，砼強度等級選用C30 即可。

2.4 排架橫撐設置對碼頭位移的影響

考慮不設置橫撐情況下，建立有限元模型，分別研究樁徑、鋼管壁厚以及樁徑、砼強度等級對碼頭結構位移的影響，并將結果和有橫撐的結果進行對比分析。

由圖6、圖7 可知：

圖6 樁徑、壁厚對位移的影響（無橫撐）

圖7 樁徑、砼強度等級對位移的影響（無橫撐）

1）無橫撐條件下，通過增加直徑和鋼管壁厚提高剛度的趨勢和有橫撐的情況相同；（2）當直徑為0.9 m 時，增加橫撐時，位移相較于沒有橫撐的情況，位移大幅減小，約為43.46 %；當直徑為1.4 m 時，增加橫撐時，位移相較于沒有橫撐的情況，位移大幅減小，約為42.06 %；

2）無橫撐條件下，通過提高砼強度等級的趨勢和有橫撐的情況大致相同。

因此，增加橫撐可顯著增加碼頭剛度，減小位移。對于大水位差框架碼頭，應優先采取增加橫撐措施。

3 結語

1）增加樁徑、提高鋼管壁厚、增加樁數均能提高碼頭剛度，減小結構位移，但影響程度不同，實際工程設計中，應綜合各方因素進行樁基選型和結構設計；

2）提高砼強度等級對減小碼頭結構位移不明顯，因此河港碼頭設計混凝土強度選用C30 即可；

3）增加橫撐可顯著增加碼頭剛度，減小位移。對于河港大水位差框架碼頭，應優先采取增加橫撐等提高剛度措施。