一种特殊桩基布置形式的结构计算分析

宋文涛，古西召

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

在海港工程中，波浪是影响港工结构的重要水动力因素[1]，为了减少波浪对结构的不利影响，风浪较大区域的码头一般建在掩护较好的港湾或防波堤内，但当口门方向处波浪强度和频率均较高时，码头结构会承受较大的波浪力。为了有效抵御波浪作用和满足使用要求，此类条件下高桩码头的桩基通常采用特殊的布置形式。

本文以海南某工程为实例，对高桩码头局部排架桩基呈三角形布置的特殊结构进行计算分析，探讨了此种桩基布置形式下码头结构计算方法，为类似工程设计提供参考。

1 码头结构桩基设计

1.1 结构主要高程确定原则

码头结构形式需根据当地的自然条件、码头建筑物的使用要求和施工条件确定。本工程码头根据波浪、地勘等资料分析宜采用高桩梁板结构，但高桩结构存在着合理确定码头面高程的问题，李邵武等在《海港平面设计规范》的修编专题研究[2]中提出了上水原则和受力原则。对于散货码头，由于装卸工艺、堆货方式以及货种对水的敏感性和海水对工艺设备的侵蚀程度不同，要求有所不同，但基于环保要求，一般码头面不上水。上部结构除面板外，允许纵、横梁系承受波浪荷载作用。依据受力限制，本文中码头面高程按允许上部结构承受一定的波浪力作用确定。码头需满足1万~5万吨级船舶正常系靠泊作业，当吨位较小船舶系泊时，船舶干舷高度相对码头面较低，缆绳的垂直系缆角度大于30°，容易造成压缆，船舶系靠存在安全隐患，故有系船柱排架需降低横梁端部顶高程，端部适当加宽，这样既有利于船舶系缆，也可通过降低系缆力作用点位置而有利于结构受力。

1.2 结构方案

本工程码头长324 m，宽24 m，顶面高程+8 m，采用高桩梁板结构，排架间距8 m，分为5个结构段，结构段间采用悬臂连接。码头平台的上部结构采用纵、横梁不等高连接方案。横梁采用现浇倒T形结构，纵梁和面板为预制叠合结构。结构典型断面见图1。

图1 高桩码头结构典型断面Fig.1 Typical section of high-pile wharf structure

1.3 桩基布置

码头在承受装卸设备自重、堆货等荷载的同时还承受船舶荷载、门机水平荷载、水流力和波浪力等水平力的作用，桩基的选型和布置应统筹考虑承载能力、耐久性、施工难易、码头结构刚度和经济性等因素。

本工程桩基设计时结合地勘、水文、波浪以及结构承载力要求，选用φ1 200 mm钢管桩。排架桩基分两种布置形式，普通排架桩基布设7根，其中2根直桩，5根斜桩；系船柱所在排架由于端部加宽到5 m，增加1根直桩，该排架共8根桩，前沿3根直桩，呈三角形布置，其余5根同普通排架布置。所有斜桩斜度均为4∶1，平面扭角18°。码头典型结构段桩位布置见图2。

图2 码头桩位布置图Fig.2 Wharf pilearrangement

2 结构简化计算分析

2.1 不同简化方法计算分析

高桩梁板式码头内力分析，现行规范一般根据码头梁系、桩基布置和结构的整体性能等按平面排架结构或者按照空间结构计算[3]。本工程桩基沿横梁布置、各排架间距均匀、普排架和系船柱所在排架桩基布置不同，具有一定的空间特征。本文结合实际工程中桩基呈三角形布置形式，采用等效替代法或平行移桩法进行简化，讨论了不同简化方法和前沿桩基刚度不同时对桩基内力分布的影响，确定合理的简化方法和桩基选型。

2.1.1 等效替代法

高桩码头结构主要承受船舶荷载等水平力作用，码头桩基一般布置在同一条轴线上，同时布置一定数量的斜桩用于抵抗水平力。本工程中排架端部桩基呈三角形布置，用等效替代法简化时需考虑惯性矩、截面面积和截面抵抗矩等参数相等把前沿2根桩简化为1根桩，但此种布置形式下前沿与桩轴线垂直的平面内X、Y向惯性矩差别较大，简化时并不能有效反映结构自身特性。由于结构实际受力状态较为复杂，选择不同参数等效替换计算结果存在较大差别，有待根据结构受力模式进一步研究确定。基于方便实际设计计算考虑，本文对此种方法不再展开论述，仅对平行移桩方法展开详细计算分析。

2.1.2 平行移桩法

平行移桩法是把2根桩平行平移到排架轴线同一位置上。本文计算建模时，通过将前沿2根桩基沿两桩中心连线平移桩基到与排架轴线交点处（计算模型见图3）。

2.2 有限元模型

有限元模型采用梁板单元建模，面板采用板壳单元进行模拟，纵横梁以及桩基础采用梁单元进行模拟（见图4）。同时对纵横梁的形心位置进行了偏移，并对不在同一高度的桩单元和横梁单元的刚性连接采取了约束方程法，使得纵横梁、面板、桩基的空间位置和实际特征得到了真实的反映。此方法可以获得和实体单元建模方法非常接近的计算结果，且计算时间大大缩短。

图3 简化后有限元模型Fig.3 Simplified finite element model

图4 有限元计算模型Fig.4 Finite element calculation model

为了明确外力作用下结构的内力分配，计算时仅考虑单位力作用下结构的响应。高桩码头结构主要承受船舶系缆力和撞击力等水平荷载作用，所以计算时单位水平力取1 000 kN。根据3种不同的简化方法，取1个标准区段用有限元分析软件进行空间受力分析计算，钢管桩弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3；上部结构为钢筋混凝土结构，采用线弹性本构模型，弹性模量为30 GPa，泊松比为0.167，密度为2 500 kg/m3。计算结果见表1。

表1 不同布置形式计算结果Table 1 Calculation resultsof different arrangement types

从表1中数据分析可知，两根桩并列布置的简化模式下桩身轴力和弯矩比较接近按实际布置形式下结构内力。由此可见，采用2根桩并列布置的简化模式是合理可行的，且能有效地加快建模速度，提高设计效率。

3 不同桩径计算分析

由于排架前沿桩基刚度过大对结构受力有一定影响，为使结构形式合理，节省一定投资，以下在实际桩基布置基础上减少前沿3根桩基桩径，分别取1.2 m、1.1 m、1.0 m，见表2。

表2 不同桩径计算结果Table 2 Calculation results of different pile diameters

由表2可知，在结构布置形式、施加的外部荷载相同的情况下，排架前沿呈三角形布置的桩基内力随前沿3根桩基桩径的减小，结构内力分布趋于不均，尤其是各桩弯矩的分布变化较大，但只要桩径减少在一个合理的范围内，仍然可以满足结构受力要求，亦可减少一部分投资。

依据上述的计算分析结果，本工程把前沿桩基按平行移轴法简化为2根并列的桩基按空间结构计算。最终确定系船柱排架前沿2根直桩桩径取1.1 m，第3根直桩桩径1.2 m，呈三角形布置，其余桩基桩径均为1.2 m。

4 结语

1）码头前沿具有明显空间特征的三角形桩基布置形式，2根桩并列布置的简化模式能够反映结构的实际受力特性，具有类似布置形式的结构亦可采用此种简化方法。2）由于使用要求导致高桩码头排架端部桩基局部刚度过大时，可适当减小桩径，从而使排架桩基内力分布更加合理，亦可节省部分投资。

[1] 黄津，于小存，陈志勇.波浪力对高桩码头结构的影响分析[J].港工技术，2010（3）：8-12，47.HUANG Jin，YU Xiao-cun，CHEN Zhi-yong.Analysis on impact of wave force to high-pile wharf structure[J].Port Engineering Technology，2010（3）：8-12，47.

[2] 李绍武，张志明，杨国平，等．码头面高程计算方法探讨[J].水运工程，2013（2）：54-57．LIShao-wu，ZHANGZhi-ming，YANGGuo-ping，et al.Determination method of elevation of wharf deck[J].Port&Waterway Engineering，2013（2）：54-57.

[3]JTS167-1—2010，高桩码头设计与施工规范[S].JTS167-1—2010，Design and construction code for open type wharf on piles[S].