大水位差高樁框架碼頭結構優化研究

諸云鵬，李唯一，陳達，歐陽峰，湯益佳

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

直立式高樁框架碼頭結構能夠很好地適應大水位差、大水深條件，同時結構安全可靠，整體性好。但由于其存在框架結構復雜，縱、橫聯系撐較多，樁基布置密集，經濟性較差等問題，限制了其在內河航道的推廣應用，故需要對它的結構型式、受力特性、經濟性等方面進行深入研究。

王多垠等[1]通過對已建內河直立式框架碼頭存在問題開展研究，提出粗樁大跨架空直立式碼頭結構型式的設計理念，即通過增加碼頭排架間距，加大樁徑的方式來使碼頭受力更加明確，減少工程量，為庫區碼頭建設提供良好的技術支撐。周澤祥[2]提出帶主斜撐排架與空間三角框架墩相結合的內河高樁框架碼頭結構型式。沈倩[3]研究大水位差高樁框架式全直樁碼頭設計優化，比較了不同系纜層、不同排架數量、不同平臺設計寬度對結構水平力的影響。

本文以云南省東川港格勒旅游中心碼頭工程為例，通過有限元軟件Ansys 計算，定量分析框架層數的改變對碼頭變形和應力的影響，達到結構優化的目的，為大水位差碼頭建設提供技術指導和支撐。

1 工程概況

1.1 工程概況

工程位于云南省昆明市東川區小江與金沙江的交匯口。碼頭采用高樁框架結構，尺寸為161.4 m×96.4 m×32 m，中間段碼頭縱向布置6 跨，橫向布置11 跨，碼頭頂面高程為827.50 m，具體碼頭結構及尺寸見圖1。水位較高時船舶停靠在小江側；水位較低時船舶停靠在金沙江側。本文選取該工程典型分段，重點分析該段受自重、平臺荷載、船舶撞擊力等荷載條件時在最不利荷載組合下的受力特性和結構優化。

圖1 碼頭設計斷面圖

1.2 荷載情況

碼頭主要荷載類型及大小見表1。

表1 荷載類型及大小

2 有限元模型建立

根據工程方案，利用Ansys 建立碼頭中間段三維有限元模型見圖2，模型中樁基和主體框架均為鋼筋混凝土結構，鋼筋混凝土結構中存在著鋼筋和混凝土兩種不同彈性模量的材料，故參數均采用等效復合參數[4]。混凝土強度等級為C30。為減少邊界效應影響，土體計算模型邊界范圍設置為：285 m×174 m×53 m。這些模型均采用實體Solid187 單元類型，共包括144087 個單元，307462 個節點。

圖2 原設計方案三維模型

本工程樁基為端承樁，不考慮樁基的側向摩擦，樁土接觸設置為面-面接觸，構件單元接觸面間施加綁定約束。模型中主體框架等混凝土結構均按各向同性彈性材料考慮，鋼筋混凝土材料密度為2500 kg/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.167。

按照《高樁碼頭設計與施工規范》（JTS 167-1-2010）[5]進行作用效應組合確定最不利工況。模型的計算工況為高水位工況（設計高水位為820 m），船舶撞擊力作用在最邊跨橫向排架頂部，考慮恒荷載、活荷載、船舶撞擊力作用。

3 框架碼頭層數對應力及變形的影響

本節將重點圍繞框架結構層數對碼頭應力及變形產生的影響進行計算分析，進行框架層數優化，計算結果顯示樁基部分產生的應力和變形均在設計允許范圍之內，故重點考慮上部框架結構。

3.1 設計方案荷載條件下有限元分析

在圖2 三維模型基礎上開展有限元分析計算，原設計方案荷載條件下計算結果如圖3 所示：

圖3 原設計方案應力及變形云圖

由圖3 可知：原設計方案產生的變形和應力均在鋼筋混凝土結構設計允許范圍之內，碼頭主體框架結構的縱向最大拉應力出現在頂層邊跨縱梁底部，橫向最大拉應力出現在距離船舶撞擊力作用點位置最近的橫梁與立柱交界位置，橫向變形主要來源于船舶的撞擊力，縱向變形主要來源于船舶撞擊力產生的碼頭整體旋轉。

3.2 框架層數影響

原碼頭設計方案為四層，在不改變總高度的情況下，改變框架層數。計算選取縱向最大拉應力、橫向最大拉應力、縱向最大位移、橫向最大位移四個指標進行對比，計算結果見圖4 和圖5。

圖4 最大拉應力隨層數變化

圖5 最大位移隨層數變化

由圖4 和圖5 可知：

（1）隨著層數增加，其縱、橫向最大拉應力和縱、橫向最大位移均逐漸減小，并且減小的幅度逐漸降低，這是由于隨著層數的增加，框架結構的整體性、穩定性都增加。

（2）當層數的增加到一定程度，其兩個方向的最大拉應力均有增大的趨勢，原因是隨著層數的增加，最大拉應力的位置由原本的縱橫梁底部轉移到了縱橫梁與立柱的交界處，應力集中現象更加明顯。

（3）框架層數過少會導致結構整體性差，產生較大應力和變形；同時層數過多會導致梁柱之間的應力集中現象更加嚴重。綜合考慮框架碼頭每層高度在6～10 m 之間為宜。

4 碼頭結構優化

4.1 優化方案研究

本節在層數優化的基礎上，選取三層碼頭繼續優化，改善其變形和應力。為彌補框架碼頭減少層數對剛度的影響，現考慮沿碼頭橫向方向，從邊跨開始隔跨布置豎向斜撐[6,7]，共布置四跨豎向斜撐，形狀為對角“Z”字形豎向斜撐（0.8 m×1.0 m），共計增加84 根“Z”字斜撐，結構斷面見圖6。

圖6 優化方案斷面圖

4.2 優化前后應力及變形對比

為判斷優化方案的合理性，對優化后碼頭進行計算，結果見圖7。

圖7 優化方案應力及變形云圖

比較原設計方案（四層）、優化過程1（三層）和優化過程2（增設豎向斜撐）中各個指標的變化，結果見表2。

表2 優化前后計算結果對比

由表2 可知：

（1）優化后框架結構在降低橫向最大拉應力和位移方面效果顯著，相較于優化過程1 分別減少18.7%和26.1%，相較于原設計方案也分別減少12.1%和10.5%。對于一般的框架碼頭，沿水平荷載方向設置豎向斜撐能夠有效減小最大拉應力，同時還能提高整體性，使碼頭抵抗變形的能力提升。

（2）未設置豎向斜撐之前，碼頭橫向拉應力集中在水平荷載作用區域，而設置豎向斜撐后，由圖7（b）可知碼頭橫向拉應力分布更加均勻，并且較大的拉應力分布在橫梁的底部，而不是梁柱交界位置，能夠緩解框架結構在縱橫撐及其連接處產生的應力集中現象。

4.3 優化前后經濟性對比

僅從所需材料角度考慮，原設計方案主體框架結構需要混凝土14005 m3，優化方案需要混凝土12499 m3，減少了10.8%的混凝土用量。因此，通過減少框架層數并增設豎向斜撐優化框架碼頭能夠提高其經濟性。

5 結論

（1）對于高樁框架碼頭，其結構層數確定應兼顧工程量以及結構變形和應力分布情況，層數過少則結構整體性較差，層數過多則梁柱交界處應力集中現象較明顯，綜合而言高樁框架碼頭層高在6～10 m 為宜。

（2）碼頭上部宜直接作用在立柱上，若作用在梁或者面板上，可在下部框架結構增設“Z”字型豎向斜撐減小碼頭構件的應力。豎向斜撐的設置增加了結構的剛度，使框架碼頭的空間整體性增強，在減少層數的情況下，既能減小應力和變形，也能減少工程量，使碼頭經濟性更好、受力更優。

（3）框架碼頭設置豎向斜撐能夠優化傳力路徑，使整體受力更加均勻，能夠有效解決應力集中的問題。