不同基樁布置型式的橫向排架受力研究

趙 軍

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 天津水運工程勘察設計院有限公司,天津 300456)

高樁碼頭作為三大碼頭結構形式之一,廣泛應用于軟土地基[1]。樁基與上部結構組成橫向排架,是高樁碼頭的主要受力單元[2-3]。樁基布置不僅影響整個碼頭結構的受力和造價,還影響施工[4-5]。高樁碼頭結構設計時,橫向排架樁基的布置型式合理與否成為了碼頭工程的核心問題[6-7]。

本文以單個橫向排架為計算單元,采用假想嵌固點法,利用Midas Civil 2013建立有限元模型[8-9],通過對全直樁樁基排架、叉樁樁基排架及扇形樁基排架在相同受力條件下內力分布情況進行比較分析研究,提出不同樁基布置型式橫向排架的適用工況,為碼頭結構設計提供參考。

1 研究方案及模型建立

1.1 研究方案

橫向排架作為高樁碼頭的主要受力單元,影響其內力分布的因素較多[10-12],包括排架結構自身的樁基布置型式、排架所受外部荷載及排架工程區域土基的性質等[13]。本文采用假想嵌固點法,利用Midas Civil 2013建立有限元模型,將樁基樁尖處設置為固結,忽略土基對排架內力分布的影響,通過對不同樁基布置型式的排架結構分別施加相同的水平向荷載及豎向荷載[14-16],進而分析排架的內力分布情況。

1.2 模型建立

采用Midas Civil 2013軟件建立全直樁樁基橫向排架、叉樁樁基橫向排架及扇形樁基橫向排架等3個有限元模型(見圖1)[17-18]。全直樁樁基橫向排架,橫梁主尺度為13 m×1.5 m×2 m(長×寬×高),樁基采用6根φ800 mm全直鋼管樁,單樁樁長10 m;叉樁樁基橫向排架,橫梁主尺度為13 m×1.5 m×2 m(長×寬×高),樁基采用3對φ800 mm鋼管叉樁,單樁樁長10 m,樁基斜度4∶1,平面扭角15°;扇形樁基橫向排架,橫梁主尺度為13 m×1.5 m×2 m(長×寬×高),樁基采用6根φ800 mm鋼管斜樁,單樁樁長10 m,樁基斜度4∶1。

1.3 計算工況

為了研究不同樁基布置型式橫向排架在外荷載作用下的內力分布狀況[19-21],根據外荷載的實際情況,設置水平荷載研究工況和豎向荷載研究工況兩種計算工況。

水平荷載研究工況：分別在三種橫向排架模型的橫梁截面形心處施加500 kN軸向水平壓力,分析研究三種模型橫梁及樁基構件的內力分布情況。

豎向荷載研究工況：分別在三種橫向排架模型的橫梁頂部施加20 kN/m的豎向線性均布壓力荷載,分析研究三種模型橫梁及樁基構件的內力分布情況。

2 計算結果

2.1 水平荷載研究工況

2.1.1 排架彎矩計算結果

圖2為三種不同樁基布置型式的橫向排架,在水平荷載500 kN作用下各構件的彎矩分布情況。圖2中顯示,三種排架樁基彎矩分布趨勢一致,由于樁基布置的不同,樁基對橫梁的約束情況不一,引起橫梁彎矩分布各不相同。全直樁樁基橫向排架以橫梁長度方向中點為分界線,靠近受力側橫梁下側受拉,遠離受力側橫梁頂部受拉,彎矩在相鄰樁間按三角形分布;叉樁樁基橫向排架橫梁彎矩受叉樁布置的影響,彎矩分布在一對叉樁間從正彎矩過渡到負彎矩;扇形樁基橫向排架以橫梁長度方向中點為分界線,靠近受力側橫梁下側受拉,遠離受力側橫梁頂部受拉,彎矩整體以三角函數型式分布。

表1統計了三種不同樁基布置形式的橫向排架,在水平荷載500 kN作用下各構件的彎矩極值情況。表1中顯示,在相同水平荷載作用條件下,全直樁樁基橫向排架樁基所受彎矩最大,叉樁樁基橫向排架橫梁及樁基所受彎矩均為最小值,扇形樁基橫向排架橫梁所受彎矩最大。

2.1.2 樁基軸力計算結果

圖3為三種不同樁基布置型式的橫向排架,在水平荷載500 kN作用下樁基軸力分布圖。圖3中顯示,三種排架由于樁基布置的不同,樁基的軸力分布各不相同。全直樁樁基橫向排架受力側樁基軸向拉力最大,非受力側樁基軸向壓力最大,從受力側向非受力側排架樁基軸力由受拉逐漸過渡為受壓;叉樁樁基橫向排架樁基軸力分布以一對叉樁為單位保持一致,叉樁靠近受力側斜樁受拉,遠離受力側斜樁受壓;扇形樁基橫向排架樁基軸力分布以橫梁長度方向中點為分界線,靠近受力側樁基受力受拉,遠離受力側樁基受壓,而且靠近中心處樁基軸力最大,遠離中心方向軸力逐漸減小。

表2統計了三種不同樁基布置型式的橫向排架,在水平荷載500 kN作用下樁基軸力的極值情況。表2中顯示,在相同水平荷載作用條件下,全直樁樁基橫向排架樁基所受軸力最小,叉樁樁基橫向排架樁基所受軸力次之,扇形樁基橫向排架樁基所受軸力最大。

表2 樁基軸力統計表 kN

2.2 豎向荷載研究工況

2.2.1 排架彎矩計算結果

圖4為三種不同樁基布置型式的橫向排架,在豎向線荷載20 kN/m的作用下各構件的彎矩分布情況。圖4中顯示,在相同豎向荷載作用下,橫向排架的樁基布置形式對各自樁基所受的彎矩影響較小,由于樁基布置的不同,各排架橫梁所受的彎矩分布有所不同。全直樁樁基橫向排架與扇形樁基橫向排架對橫梁的約束點相同,故橫梁彎矩分布相同。叉樁樁基橫向排架由于樁基布置的特殊性,橫梁彎矩分布呈現兩個彎矩最大點。

表3統計了三種不同樁基布置形式的橫向排架,在豎向線荷載20 kN/m的作用下各構件的彎矩極值情況。表3中顯示,在相同豎向荷載作用下,橫向排架各構件所受彎矩受樁基布置型式的影響較小,各模型的橫梁及樁基所受彎矩基本相同。

表3 橫向排架彎矩統計表 kN·m

2.2.2 樁基軸力計算結果

圖5為三種不同樁基布置型式的橫向排架,在豎向線荷載20 kN/m的作用下樁基軸力分布圖。圖5中顯示,三種排架樁基軸力分布均勻,各樁基所受軸力保持一致。

表4統計了三種不同樁基布置型式的橫向排架,在豎向線荷載20 kN/m的作用下樁基軸力的極值情況。表4中顯示,在相同豎向荷載作用條件下,三種樁基布置型式橫向排架樁基所受軸力基本相同,由于叉樁樁基橫向排架樁基及扇形樁基橫向排架樁基斜率的影響,樁基所受軸力略有不同。

表4 樁基軸力統計表 kN

3 結語

作為高樁碼頭的主要受力單元,通過對三種不同樁基布置型式的橫向排架分別施加水平荷載及豎向荷載,從橫向排架受力的角度分析得出以下結論：

1)三種樁基布置型式橫向排架內力分布受水平荷載影響因素較大,當碼頭所受水平荷載為主導因素時,需考慮排架的樁基布置型式。

2)由叉樁樁基橫向排架組成的高樁碼頭適用性較強,由于樁基及橫梁所受彎矩較小,地基承載能力較強的工程場地,可以適當減小樁基及上部構件的截面尺寸,達到節約成本的目的。

3)由全直樁樁基橫向排架組成的高樁碼頭由于樁基軸力最小,適用地基承載能力較低的工程場地,通過適當的增加樁基及上部結構的截面尺寸,可以確保碼頭的安全性。