板桩-重力式码头组合结构的计算

龙素华，杜飞飞

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

随着世界经济的发展，港口深水化、船舶大型化已成为必然趋势，故对不能满足运输生产需要的旧码头，必须采取有效的措施解决靠泊能力不足的问题，提高旧码头对新货种和新船型的适应能力，以适应新的生产需求。

目前，常采用的重力式码头改造形式较多，主要有旧码头前新建码头结构、增加桩基加固、增设浮式护舷或更换大型护舷、基础压力灌浆加固、码头后回填土高压旋喷桩加固等方法，或单独或联合采用，已达到良好的加固效果[1-2]。但这些加固形式只适用于港池底标高不增加或增加不大且不超过原码头抛石基床底标高的情况。当原基床较薄，新疏浚深度远超过原基床底标高时，码头的整体稳定性很难得到满足，此时需另行考虑比较安全经济的技术改造方案。

某重力式方块码头升级改造项目，船型由1万t升级到5万t，码头前沿水深远超原码头基床底标高。设计采用的改造方案为在原重力式码头前施打板桩的结构形式。本文主要通过建立一种新的计算模式对改造后的组合结构进行计算，分析该形式码头的结构受力特点，为类似工程提供参考。

1 改造设计

某工程原设计船型为10 000 DWT的集装箱船码头，码头面顶高程为+2.77 m，港池底标高为-10.0 m。码头结构形式为实心方块码头，墙后为抛石棱体结构，基床采用2.0 m的暗基床，具体码头结构断面见图1。码头前沿均载为20 kPa，采用450 kN系船柱，顶层胸墙宽度为3.5 m，墙底宽度为5 m。方块尺寸如图1所示。

现由于升级改造，需要停靠50 000 DWT的集装箱船，原港池底标高需浚深至-14.0 m。码头系缆采用1 000 kN系船柱，靠船设备采用SUC1700H（RO）一鼓一板橡胶护舷。码头工艺荷载不变，装卸机械采用45 t正面吊，码头面均载按30 kPa考虑。

图1 原码头典型断面Fig.1 Typical section of the existing wharf

设计采用旧码头前一定距离打设组合钢管板桩结构。由于工程水域限制以及考虑到改造后旧码头与相邻码头的靠泊使用问题，新码头前沿线应尽可能的接近旧码头前沿线，故暂定板桩中轴线距离原码头前沿线3 m。钢管桩外径1 400 mm，壁厚20 mm，沿码头前沿方向间隔布置，间距为2.86 m，钢管桩两侧预先焊接锁口，待钢管桩打设完毕后，钢管桩之间插打AZ26-700钢板桩，形成连续的钢管板桩墙。板桩后不回填。为确保钢管板桩墙与原有方块码头之间的整体性，拆除原有码头顶部第一层方块后重新浇筑钢筋混凝土胸墙，将钢管桩、板桩与原有方块码头连为一体。胸墙前端距离原码头前沿线4.7 m，后端距离原码头前沿线5.5 m。码头改造断面示意如图2所示。

该新旧结构组合的重力式码头结构，涉及到新旧结构之间协同工作问题，而现行规范中的计算方法还没有成熟可靠的计算模式，缺少合理的简化计算方法。

2 组合结构的受力特性和计算方法

2.1 受力特性分析

2.1.1 组合结构板桩部分

组合结构板桩部分同传统的板桩码头有较大的区别，主要体现在以下几方面：

1）后方重力式结构相当于一个大的混凝土挡土结构，对原港池底标高-10 m以上非入土板桩部分起到了遮帘挡土作用。

2）板桩墙后自重土压力计算起始面降低，即为原港池底标高-10 m处而不是码头面标高处。

3）板桩墙后土压力计算起始面以上的重力式方块传递的基床顶面应力和后方填料及荷载产生的土压力，会在板桩墙入土部分往下一定范围内突增。

4）板桩墙后主要土压力受力范围整体往下偏移。可预见随着新建板桩距离原码头越远，偏移就会越大，对板桩受力越有利。

图2 码头结构改造典型断面Fig.2 Typical section of the improved wharf

2.1.2 组合结构重力式码头部分

组合结构重力式码头部分与原重力式方块码头相比，由于上部使用均载增加，同时板桩部分所受外力通过新建胸墙传递给下面的方块，故各方块之间、方块与基床之间抗倾抗滑需重新验算。同时由于前方港池开挖，势必对码头的整体稳定产生影响。

总之，组合结构内力的传递可总结为：受墙前开挖和外荷载作用，板桩受力通过桩顶胸墙传递给后方方块，而方块码头所受外力则通过基床应力和土压力的形式作用于板桩结构上，两种结构相互作用。胸墙和方块间不允许发生位移和倾斜，胸墙将力传递给重力式方块码头后，需验算方块码头的抗倾抗滑稳定性以及基床的承载力，满足要求后，方可将方块码头和板桩作为整体结构来考虑，计算整体稳定并满足规范要求。

2.2 建立计算方法

2.2.1 计算思路

板桩-重力式码头两部分是协同作用的，板桩与胸墙固结，从而与后方重力式码头连接为整体。作用在板桩上的力通过胸墙传递给后方方块码头，但是，板桩传递至胸墙的力由板桩所受土压力和系缆力产生，这个力存在不确定性，为了能有效地将板桩部分和重力式码头部分单独考虑而又能反映两者的协同作用，参考结构力学中的截面法，将新建胸墙在老码头前沿线处截开，将左边板桩和右边重力式方块码头分开为两个部分，分别进行计算，在胸墙截面处不发生位移和转角，视为固结。

2.2.2 计算方法

1） 板桩结构部分：受力示意图见图3。其中，原重力式码头基床面以上结构的内力转化为外力作用在板桩墙后基床顶面上，板桩入土部分受两侧土压力作用，上部与胸墙刚接，胸墙截面处简化为固定支座。采用竖向弹性地基梁法[3]计算板桩内力。

2）重力式码头部分：将胸墙截面处传来的力作为外荷载来考虑，作用在方块码头上，按照JTS 167-2—2007《重力式码头设计与施工规范》[4]中规定的方法进行计算。

图3 板桩结构计算示意图Fig.3 Schematic diagram of thesheet pilecalculation

2.2.3 具体计算过程

1）首先不考虑系缆力，计算原重力式码头在新码头面均载作用下的抗倾抗滑稳定性和方块对基床顶面产生的应力。

2）将得出的基床顶面应力、方块码头后方计算起始面-10 m以上填料自重和均载产生的力、计算起始面-10 m以下土自重产生的土压力和板桩码头所受的其它外力作为外荷载，输入板桩结构部分，利用有限元软件进行计算，计算得出胸墙截面处固定支座反力。

3）将求得的截面处固定支座反力再作为外荷载，输入重力式码头部分进行计算，验算码头的稳定性和承载力。若方块抗倾抗滑仍满足规范要求，则将计算得到的新基床顶面应力，再代入上面计算第2）步，重新进行板桩结构部分计算。

4） 进行第2）、3）步骤的若干次循环，直至基床顶面应力前后步骤计算结果误差逐步减小并接近相等，且同时方块码头始终满足稳定和基床承载力要求，此时可将计算所得的板桩内力作为最终计算结果。

2.3 组合结构的计算结果

采用2.2节的计算方法，设坐标系统水平向右为X正向，竖直向上为Y正向。力同坐标正方向为正，弯矩逆时针方向为正。计算组合考虑承载能力极限状态持久组合。材料性质和土层主要物理、力学性质指标见表1。

表1 材料参数取值Table 1 Parametersvalue of materials

2.3.1 原重力式码头结构受力计算结果

经验算，在最不利工况组合下（自重+均载+系缆力，极端高水位时不考虑系缆力作用），原码头各层方块均满足抗倾抗滑稳定要求，极端低水位时基床顶面应力最大，结果见表2。

表2 原码头结构基床顶面应力计算结果Table 2 Calculation results of stress on the surface of existing wharf structure foundation

由表2可见，原码头基床顶面应力偏心距较大，应力呈三角形分布。合力标准值作用点与前趾距离ξ已经接近规范的临界值B/4。这时如果码头水平系缆荷载增加，会造成墙地面竖向合力偏心和基床顶面应力进一步增大，继而导致基床顶面应力偏心较难满足规范要求。

2.3.2 组合结构计算结果

第1步：重力式码头计算（均载30 kPa，无系缆）

外部荷载30 kPa，暂不考虑由板桩传递至胸墙的荷载。考虑到既能起到一定的卸荷作用，又可以平衡基床顶面应力的偏心，初步设定现浇胸墙后端加长至距离原码头前沿线5.5 m。经验算，在自重和30 kPa均载工况组合下，各层方块均满足抗倾抗滑稳定要求，基床顶面应力见表3，表中符号意义同表2。

第2步：板桩结构计算

根据板桩踢脚稳定和整体稳定计算，确定板桩底标高为-26 m。板桩结构部分的计算采用通用结构有限元软件，板桩内力计算采用竖向弹性地基梁法，m值根据规范取10 000 kN/m4。经计算，胸墙截断处结构内力为弯矩=393.3 kN·m/m，水平力Fx=-409.2 kN/m，竖向力Fy=-211.6 kN/m。

表3 组合结构基床顶面应力第1步计算结果Table 3 Thefirst step calculation result of stresson the surface of composite structure foundation

第3步：重力式码头计算（胸墙截断处作用板桩结构传递来的内力）

将第2步胸墙截断处内力反作用于方块码头部分，在自重和均载作用下，经验算，胸墙抗倾抗滑稳定不满足要求，结果见表4，而其它各层方块间稳定满足规范要求。此时，可采取植筋措施，将胸墙和第一层方块固定连接，使其满足抗倾抗滑稳定要求。这时基床顶面应力结果见表5。

表4 胸墙抗倾抗滑稳定性计算结果Table 4 Calculation result of stability against overturning and sliding of breast wall

表5 组合结构基床顶面应力第3步计算结果Table 5 The third step calculation result of stresson the surface of composite structure foundation

第4步：将第3步计算所得基床顶面应力重新代入第2步，循环做第2、3步的计算。经多次计算（计算各步结果见表6），当基床顶面应力几乎相等时，可认为整个结构的内力达到平衡。此时得到的板桩内力可作为最终结果，板桩内力为最大弯矩=1 856.6 kN·m/m，最大剪力=295.7 kN/m。

2.3.3 组合结构整体稳定计算

经过上述计算，码头组合结构受力满足规范要求，此时，还需验算结构的整体稳定。整体稳定采用圆弧滑动简单条分法计算，使用期持久状况计算水位采用极端低水位，持久状况土的力学指标采用固结快剪指标。计算结果为原重力式方块码头最小抗力分项系数=1.12，浚深加板桩组合结构最小抗力分项系数=1.1。可见，改造后的组合结构使得整个码头稳定性比原来进一步加强，改造效果明显，满足现行规范要求。

表6 结构循环计算步结果汇总Table 6 Summary of calculation step result of structure

3 结语

板桩-重力式码头组合结构采用截面法，将板桩结构和重力式结构的协同作用联系起来，板桩结构采用竖向弹性地基梁法，重力式结构采用《重力式码头设计与施工规范》中规定的方法进行计算。两种结构通过联合迭代计算，当基床顶面应力趋于一致时，结束迭代计算从而得出板桩结构内力和重力式结构抗倾抗滑稳定性及基床顶面应力。这种方法的优点是结构受力明确，简便可行，计算结果较为可靠；缺点是需要多次迭代计算，步骤较多，但是每步计算难度并不大，故在工程实际应用中，可以借鉴参考。