高桩码头叉桩最不利受力工况分析

刘现鹏 ，熊洪峰 ，2，赵冲久

（1．交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456；2．哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001）

高桩码头叉桩最不利受力工况分析

刘现鹏1，熊洪峰1，2，赵冲久1

（1．交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津 300456；2．哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001）

高桩码头结构的复杂性以及桩体与土相互作用的非线性，使得桩体受力相当复杂。文章分析了影响高桩码头叉桩受力的各种因素，通过建立ANSYS有限元模型计算各种工况下叉桩桩顶受力情况，得到了叉桩的破损机理，并结合各外力因素对叉桩不利受力进行敏感度分析，得到了叉桩受力的最不利工况组合和最敏感外力因素，对认识高桩码头叉桩破损的原因具有参考价值。

高桩码头；叉桩；敏感度；最不利工况

Biography：LIU Xian-peng（1977-），male，engineer.

高桩码头是我国港口建设中应用最广泛的码头结构型式之一。该码头为透空式结构，结构自重小，对波浪的反射小，泊稳条件好；可较多采用预应力构件，增大预制安装的比例，有利于组织机械化施工、建设速度快、材料消耗省、造价也较低；适应大水位差能力强。但是，高桩码头也有其不足之处，如其结构适应工艺荷载变化或超载装卸的能力差，特别是接岸结构处理复杂，如处理不当时，易发生侧向位移、变形、开裂等现象。另外，高桩码头前承台叉桩破损后的维修和加固十分棘手，根据交通运输部天津水运工程科学研究院对天津港高桩码头多年的调查和检测情况可知［1］，天津港码头的叉桩破损数量很多，而且目前发现的破损叉桩的破损位置均位于水面以上的叉桩桩顶附近，水面以下叉桩的破损情况还未能具体统计。鉴于这种情况，应该及时开展高桩码头叉桩破损原因分析，找到造成叉桩破损的最不利受力工况，从而制定科学的加固维修方案。

寻找叉桩最不利的受力工况方法较多，文章利用有限元计算［2-4］结果，并从敏感度的角度对其进行阐述和分析。

1 模型建立

采用ANSYS软件进行分析，建立高桩码头结构（由面板、横梁、纵梁、帽梁、直桩、叉桩组成）和地基土共同作用的整体计算模型，计算分析采用三维有限元法［2］，沿码头岸线方向取7 m范围，岸—海方向取90 m范围（码头前沿外10 m，码头前沿往后取80 m）。模型坐标轴以从码头前沿朝向后方堆场的方向为X轴正方向；Y轴正方向竖直向上；Z轴方向垂直于XY平面向外（图1）。

考虑计算的收敛性及速度，钢筋混凝土构件需采用等效截面和刚度的实体进行简化［5］，为了很好的模拟桩土之间的摩擦，除面板、横梁、纵梁、帽梁外，直桩、叉桩均采用实体单元SOLID65进行离散，土体由SOLID45单元进行离散，文中建立的有限元模型中桩—土接触面采用面面接触。上部结构单元如图2所示。

2 桩体受力计算工况

图1 有限元模型Fig.1 FEM Model

图2 前承台有限元模型Fig.2 FEM model of front platform

影响高桩码头叉桩受力的原因很多：船舶撞击力及系缆力；码头前沿水域浚深及码头岸线的回淤量；后承台和后方堆场的竖向荷载等；通过对近年码头靠泊船型和浚深等资料的调查和收集，并通过计算得到码头停靠实际船型时分配到单个排架的最大撞击力和系缆力等荷载［6］，为了精确分析结构受力，将各外力因子分为3个水平（第3 水平对应的是各因子的最值）［7］（表 1）。文中结合以上因素及各水平对叉桩受力进行分析，计算工况见表2。

表1 外力因子计算值Tab.1 Computation value of external force coefficient

表2 工况组合计算表Tab.2 Combination of different working conditions

高桩码头结构通过桩体摩擦力来支撑上部结构，而摩擦力大小与土的主动土压力、被动土压力等密切相关；船舶撞击力及系缆力、码头前沿水域的浚深及码头岸线的回淤量、后承台和后方堆场的竖向荷载对叉桩受力是相互影响的，其中一个值的大小和方向可能会造成其他因素随之发生改变，所以要得到某个参数对叉桩受力的影响必须考虑其他2个参数的存在。例如工况1、工况2、工况3中码头前沿水深及岸坡回淤量都是在水平1下，而其他2个参数的水平都分别取为1、2、3；工况4、工况5、工况6描述的是码头前沿水深及岸坡回淤量在水平2下的情况；所以把工况4、工况5、工况6下叉桩受力的平均值减去工况1、工况2、工况3下叉桩受力的平均值作为由码头前沿水深及岸坡回淤量的变化产生的叉桩受力变化较仅在参数（码头前沿水深及岸坡回淤量）作用下其改变时码头受力的变化更为准确。

叉桩受力由以上3个因素确定，在上述3因素哪种水平组合下产生破坏受力的数值最大，即为对应的桩体受力的最不利工况组合。

3 叉桩破损机理

叉桩能使码头承受的水平力转换为叉桩的轴向力，并通过叉桩传到土体，使码头在水平力作用下产生很小的水平位移，并且通过上述工况的有限元仿真计算得到叉桩桩顶还承受了较大弯矩（如工况133下，向海斜桩MZ为188 240 N·m，MX为-106 141 N·m），故其为偏心受压构件。偏心受压构件需对其斜截面和正截面承载力进行计算。

通过计算得到其垂直于叉桩轴线方向的最大剪切力为73 121 N，而其截面剪切抗力根据式（1）［8］计算为392 136 N，故认为不会发生剪切破坏。

图3 裂缝图Fig.3 Sketch of crack

图4 正截面Y方向应力图Fig.4 Stress of the Y Direction cross section

由于桩体正截面受力形式为双向偏心受压，而且桩体还有预应力，故其承载力计算较为复杂，文中运用ANSYS有限元按受力等效原则模拟桩顶正截面受力状况（模型底部0.5 m范围内的受力与桩顶受力一致），运用工况133向岸斜桩（可能并不是最不利工况）的轴向力和弯矩进行正截面承载力计算，并添加了裂缝开裂计算，即混凝土达到其抗拉强度后就不再承受拉应力。

由图3可知，模型距底0.5 m范围以内的区域出现了裂缝，且由图4可知，模型距底0.3 m位置的正截面右边区域已经拉开，全靠钢筋承受拉应力，并且混凝土最大压应力达21.7 MPa，抗压强度22.0 MPa，所以在可能不是极端受力工况133下桩体便会发生受拉破坏，并接近受压破坏。

由于剪切力很小（各计算工况下得到的最大剪切应力为0.27 MPa，而工况133下正截面应力可高达21.7 MPa，剪切应力与正截面应力的比值仅为1.24%），故剪切力对截面正应力改变量很小，根据三向应力状态及莫尔圆原理，可将桩体的正截面近似简化为构件的主应力面，由此将桩体正截面的应力近似为最大应力。通过有限元计算得到决定正截面受力的桩顶弯矩和轴向力值，然后根据式（2）、式（3）计算桩体正截面的应力来近似桩体最大应力

式中：Wz为抗弯截面模量。

4 叉桩敏感度分析

4.1 敏感度分析计算方法

所谓正截面应力敏感度分析就是研究影响正截面应力的各因素与截面应力变化的相关关系，它等于正截面应力的变化率与各参数的相对变化率之间的比值。

令各参数在可能的范围内移动，分析参数的变化对应力的影响程度。在实际系统中决定系统特性的各参数是不同的物理量，单位各不相同。为了比较系统中各参数对系统特性的影响，需要对参数作无量纲处理，绘制ΔFi～ΔXi/Xi（i=1，2，3…）曲线。曲线斜率的绝对值定义为敏感度；通过分析计算结果发现随着参数的变化，叉桩受力呈现了一定的递增或递减规律，所以文章把外力荷载如码头前沿水深及回淤量、水平力（撞击力、系缆力）、后承台及后方堆场竖向荷载等参数的变化分为一步完成，即把各参数值由0增大到最大值时叉桩正截面拉、压应力的变化作为正应力的敏感度：ΔXi/Xi（i=1，2，3…）=1下ΔFi的值为各参数的敏感度。

4.2 敏感度及叉桩最不利受力工况分析

把叉桩仅受重力作用下截面应力定为基准状态，其基准状态下向海斜桩、向岸斜桩正截面应力计算值见表3和表4；在撞击力、系缆力作用下叉桩的敏感度度计算结果见表5、表6和表7（表中采用数值均经过计算得到）。

由表5可知，撞击力（水平力）对正截面拉应力和压应力的敏感度最大，其次是后承台及后方堆场荷载，最小的是码头前沿水深及回淤量；并且撞击力（水平力）作用下的压应力和拉应力敏感度的绝对值大于其他2个参量作用之和，所以在计算组合水平下最大应力敏感度时先选取撞击力（水平力），其工况水平取3；码头前沿水深及回淤量作用下MZ产生的拉应力和压应力敏感性最强，且其绝对值大于MX、FY下敏感度绝对值之和，但是其产生的受压、受拉面与撞击力（水平力）作用下MZ产生的受压、受拉面相反，故其会减小组合下的最大应力敏感度的绝对值，所以码头前沿水深及回淤量工况水平取1；后承台及后方堆

场荷载作用下MZ产生的拉应力和压应力敏感性最强，其绝对值大于MX、FY绝对值之和，并且其产生的受压、受拉面与撞击力（水平力）作用下MZ产生的受压、受拉面相同，能增大最大应力敏感度的绝对值，所以其工况水平取3，其MX产生的受压、受拉面与撞击力（水平力）作用下MX产生的受压、受拉面也相同，故计算最大压应力、拉应力敏感度的时候应该加上其敏感度。

表3 向海斜桩基准截面应力Tab.3 Standard cross section stress of inclined pile facing the sea

表4 向岸斜桩基准截面应力Tab.4 Standard cross section stress of inclined pile facing the shore

表5 撞击力作用下向海斜桩正截面应力敏感度分析Tab.5 Sensitivity analysis for normal section stress of inclined pile facing the sea under impact force

图5 受力的正负应力面Fig.5 Surface by force of normal stress and negative stress

根据以上分析可知，在撞击力作用下，码头向海叉桩的最敏感度为工况13（撞）3时，其敏感度=-4.37+（-0.67）+（-0.44）+（-0.16）=-5.64。在这种工况下，码头向海叉桩受到的应力最大，成为该叉桩最不利的受力工况。

同样道理，向海叉桩截面应力敏感度分析可见表6。

表6 系缆力作用下向海斜桩正截面应力敏感度分析Tab.6 Sensitivity analysis for normal section stress of inclined pile facing the sea under mooring force

由表6可知，系缆力（水平力）对正截面最大拉应力和最大压应力的敏感度最大，其次是后承台及后方堆场荷载，最小的是码头前沿水深及回淤量；并且系缆力（水平力）作用下的压应力和拉应力敏感度的绝对值大于其他2个参量作用之和，所以在计算组合下最大应力敏感度时先选取系缆力（水平力），其工况水平取3；码头前沿水深及回淤量作用下MX产生的拉应力和压应力敏感性最强，且其绝对值大于MZ、FY下敏感度绝对值之和，但是其产生的受压、受拉面与系缆力（水平力）作用下MX产生的受压、受拉面相反，故其会减小组合水平下的最大应力敏感度的绝对值，所以码头前沿水深及回淤量水平取1；后承台及后方堆场荷载作用下MZ产生的拉应力和压应力敏感性最强，并且其绝对值大于MX、FY绝对值之和，但是其产生的受压、受拉面与撞击力（水平力）作用下MZ产生的受压、受拉面相反，故其会减小组合下的最大应力敏感度的绝对值，故其工况水平取1。总之，在组合13（拉）1时最大压应力和最大拉应力敏感度绝对值最大，在这种工况组合下，码头向海叉桩为最不利受力工况。

由上面的分析可知，在撞击力（水平力）作用下，向海斜桩的最强拉应力敏感度和最强压应力敏感度分别为6.38和-5.64；系缆力（水平力）作用下，向海斜桩的最强拉应力敏感度和最强压应力敏感度分别为3.19和-3.87；所以13（撞）3作用下的最强拉应力敏感度和最强压应力敏感度比工况组合13（拉）1作用下强，并且由向海斜桩仅在重力作用下的受力表可知，撞击力（水平力）作用下叉桩桩顶受力变化规律与仅重力作用下的叉桩的受力是一致的，所以在工况组合13（撞）3下产生的桩顶受压、受拉均大于工况组合13（拉）1。因此可知，码头向海叉桩最不利受力工况为在撞击力作用下的13（撞）3工况组合。

和向海叉桩最不利受力工况分析类似，可进行向岸叉桩的最不利受力工况分析。首先，对向岸叉桩在撞击力作用下的敏感度进行计算（表7）。

由表7可知，撞击力（水平力）对正截面最大拉应力和最大压应力的敏感度最大，其次是后承台及后方堆场荷载，最小的是码头前沿水深及回淤量；并且码头前沿水深及回淤量、撞击力、后承台及后方堆场荷载由0变化到最值的过程中其由MZ产生的截面最大受压位置相同（负面）、受拉位置相同（正面），并且由MX产生的截面最大受压位置相同（正面）、受拉位置相同（负面），所以截面压应力、拉应力最大的变化率为各参量压应力变化率之和，所以截面最大拉应力、压应力变化率发生在工况组合33（撞）3下，且值为各参量全部拉应力变化率之和；并且由向岸斜桩基准表格可知，仅重力作用下由MZ产生的受压、受拉应力面以及MX产生的受压、受拉应力面与撞击力作用下相同，所以在撞击力（水平力）截面最大拉应力和最大压应力（即最不利）应等于在工况组合33（撞）3下的变化率与基准数值之和，在这种工况下，向岸叉桩为最不利受力工况。

表7 撞击力作用下向岸斜桩正截面应力敏感度分析Tab.7 Sensitivity analysis for normal section stress of inclined pile facing the shore under impact force

另外，根据上述表格可知，若水平力为系缆力下，系缆力产生的最大压应力变化率将与码头前沿水深及回淤量和后承台及后方堆场荷载产生的变化率相反，系缆力产生的变化率的绝对值也低于撞击力，并且由表5可知，仅重力作用下由MZ产生的受压、受拉应力面以及MX产生的受压、受拉应力面与系缆力作用下相反，所以在系缆力作用下产生的截面的最大压应力和最大拉应力肯定小于在工况组合33（撞）3作用下的拉应力和压应力，文章就不再采用表格罗列其值。

综上可知，向岸斜桩的最不利受力组合为在撞击力作用下的33（撞）3工况组合。

5 结语

以天津港某高桩码头为工程实例，采用计算分析高桩码头叉桩的敏感度，从而找到叉桩受力的最不利工况组合，可以得出以下结论：

（1）引起高桩码头前承台叉桩桩顶断裂的主要原因是在外荷载下叉桩桩顶受到过大的弯矩，引起叉桩出现大偏心受压情况而破坏。因此，建议设计规范增加叉桩偏心受压验算相关内容。

（2）引起叉桩产生弯矩的最敏感参数是水平力（撞击力或系缆力），其次是后承台及后方堆场荷载，最后是前沿浚深及岸坡回淤量。并且，在撞击力作用下的33（撞）3工况组合下，向岸斜桩会出现最不利受力状态；在撞击力作用下的13（撞）3工况组合下，向海斜桩会出现最不利受力状态。

（3）既然探寻找到了叉桩受力的最不利组合工况，则应该根据实际结果对码头作业进行科学指导，避免最不利工况组合的出现，防止对码头叉桩造成破坏。

（4）叉桩的修补加固工作应该参考文章结论，根据实际的破损情况进行合理设计，做到设计可靠有效。

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Analysis on the most unfavorable load case for inclined piles of high-piled wharf

LIU Xian-peng1，XIONG Hong-feng1，2，ZHAO Chong-jiu1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport，Tianjin300456，China；2.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

The complexity of high-piled wharf structure，the non-linearity of pile-soil interaction and the variety of external forces can lead to the rather complicated force distribution.Various factors influencing the inclined pile force of the high-piled wharf were analyzed in this paper.The ANSYS FEM Model was established to simulate the force of the inclined pile under various working conditions，and the damage mechanism of inclined pile was concluded.Besides，with the combination of the sensitivity analysis of external force factors upon the inclined pile，the worst force case and the most sensitive factor were obtained.Such results can provide reference for damage analysis of inclined pile.

high-piled wharf；inclined pile；sensitivity；the worst case

U 656.1+13；TP 311

A

1005-8443（2011）06-0427-07

2010-07-07；

2010-08-19

刘现鹏（1977-），男，河北省邢台人，工程师，主要从事港口工程检测评估和加固工作。

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