高桩码头加固改造工程计算方法对比分析

龚伟杰，陶桂兰，周 宇

（1.河海大学港口海岸与近海工程学所，南京210098；2.南京市水利规划设计院有限责任公司，南京210006）

高桩码头加固改造工程计算方法对比分析

龚伟杰1，陶桂兰1，周 宇2

（1.河海大学港口海岸与近海工程学所，南京210098；2.南京市水利规划设计院有限责任公司，南京210006）

以江苏某高桩码头加固改造工程为例，分别建立平面和空间有限元模型，计算了不同荷载组合工况下改造后的码头内力情况。研究结果表明：（1）高桩码头加固改造工程按平面和空间两种计算方法在同一荷载组合情况下计算所得的桩基内力比较接近；（2）平面有限单元法将所有荷载简化后均作用在横向排架上，而空间有限元法则可根据荷载实际分布情况加载，两种计算方法对横梁内力计算结果差别较大。（3）根据平面和空间有限元计算方法的特点，对于比较重要和工程量较大的加固改造工程，建议用平面有限元法计算确定工程方案，用空间有限元法对主要构件进行内力分析与配筋。

高桩码头；加固改造；平面有限元；空间有限元；计算方法

随着经济全球化的不断发展，未来我国的港口运输需求将快速增长，但受到岸线、土地和水域等资源限制，港口发展问题不可能无限制地依靠扩大岸线、新建码头的粗放式发展方式来解决，必须加快转变发展方式，把节约岸线、土地等资源摆在更加突出的位置。码头结构加固改造在提高结构安全性的同时使其靠泊能力得以提高，投资少、影响小、见效快，不仅有可观的经济效益，也具有巨大的社会效益，最关键的是不占用新的岸线、土地和水域。据统计，现在我国约有1/3的泊位在超设计船型靠泊，加大对该部分码头的加固和升级改造，对于保证码头安全生产和建设节约型交通具有重要意义。

高桩码头是沿海及内河码头采用的主要结构形式之一。对于已经建成的高桩码头而言，由于随着靠泊船舶、装卸机械不断趋向大型化，部分高桩码头结构的受力已经不再满足要求。拆除重建码头不合理、不现实，较为经济合理的方案是在原有高桩码头的基础之上进行加固改造，在短期内提高码头的靠泊能力，满足码头的安全和稳定的要求。镇江港、天津港，南通港［1-3］等部分高桩码头已通过加固改造工程提升了码头的靠泊能力。

对于高桩码头结构设计，通常分为平面和空间两种方法。一般高桩码头结构分段长度比宽度大3～4倍，纵向平面刚度相对比较小，横梁组成的横向排架基本上是独立工作的［4］。而且各横向排架的间距和结构基本相同，受荷条件和能力相当，因此，码头结构的设计计算普遍简化为以横向排架为计算单元，求解排架内力的二维平面问题［5］。平面有限单元法设计的高桩码头加固结构一般偏向安全保守，按照这种方法设计的结构承载能力有较多的富余，但是对于复杂荷载组合情况下的构件内力分析并不足够准确。空间有限单元法从空间整体角度分析结构，其求得的各结构构件内力值通常比较接近实际构件内力情况，用这种方法设计的结构比较经济，但是建模求解相对繁琐。

针对现有的这些问题，本文以江苏某码头改造工程为例，用易工平面有限元软件和ANSYS空间有限元软件对改造后的码头结构进行有限元分析，得出在不同荷载组合工况下的码头内力情况。对计算出的内力结果进行分析对比，总结出平面和空间两种计算方法的特点，为高桩码头升级改造工程计算提供参考。

1 工程概况

1.1 原码头概况

该码头结构为高桩梁板式，泊位长200.5 m，码头面高程6.10 m（黄海高程，下同），码头前沿泥面高程为-11.50 m。码头总宽28 m，分前后平台。前平台宽度14.5 m，后平台宽度13.5 m。排架基础均采用600 mm×600 mm预制砼方桩，码头排架间距为7～ 7.1 m。前平台每榀排架布设5根基桩，其中有1对叉桩，上部结构由现浇横梁、预制预应力轨道梁、空心板组成；后平台布设2根基桩，上部结构为现浇横梁+空心板。码头前沿系靠设施均采用550 kN系船柱和H500D型护舷。

1.2 码头改造设计代表船型

码头结构加固改造后，可靠泊船型如下表1。

表1 结构改造后代表船型尺度Tab.1 Dimensions of representative ship types after wharf structure reconstruction

1.3 码头加固改造方案

现有泊位改造后，停靠船型由5 千t级提高到2万t级，超过原设计船型的船舶系靠在新设计的系靠泊点处，码头改造后前沿泥面设计高程为-11.5 m，近期装卸设备为10 t门机，远期更换为3 000 t/h装船机。

码头靠泊船型增大后，船舶荷载也相应增加，根据总平面布置，加固改造船型停靠码头是在原码头结构部分排架处新增系靠泊点，以承受船舶荷载。新增系靠泊点处结构加固考虑利用原码头结构，拟采用以下加固方案：在每个靠泊点处排架的前端增设4根Φ800 mmPHC桩，桩底高程和原方桩底高程一致，上部用混凝土浇筑节点与原横梁连成一体，PHC桩采用水上打桩架施工。为使打桩船能沉桩，施工前改造排架及相邻排架端部（4跨3榀）需要拆除码头前沿5 m范围内的面板、边梁、轨道梁、系靠设施、横梁，沉桩后现浇节点使新增桩基和原码头结构连成一体，并在新浇节点上方设置750 kN系船柱和Ф1 200 mm圆筒型护舷（三只一组），其他结构按原样恢复。改造后码头前平台结构断面图见图1。

图1 改造后码头前平台结构断面图Fig.1 Cross section of wharf apron platform after structure reconstruction

1.4 计算工况

选取四种典型的荷载组合作为计算工况进行计算：

组合1：永久荷载+船舶靠岸撞击力+散货荷载+装船机（陆侧）；

组合2：永久荷载+船舶靠岸撞击力+散货荷载；

组合3：永久荷载+散货荷载+装船机（海侧）+船舶系缆力；

组合4：永久荷载+船舶系缆力+散货荷载+装船机（陆侧）。

2 计算模型

2.1 桩的受弯计算长度

排架计算中桩的受弯计算长度等于桩的自由长度与桩在土中的嵌固点深度。嵌固点深度按《港口工程桩基规范》（JTS 167-4-2012）［6］采用的假想嵌固点法计算，假想嵌固点位置可按下式确定

式中：t为受弯嵌固点距泥面深度，m；η为系数，取1.8～2.2，桩顶铰接或桩的自由长度较大时取较小值，桩顶无转动或桩的自由长度较小时取较大值；本文取2.2。T为桩的相对刚度特征值，m，可按下式计算

式中：Ep、Ip为桩材料的弹性模量（kN/m2）和桩截面的惯性矩（m4）；m为土的水平地基系数随深度增长的比例系数，kN/m4，m取5 000 kN/m4；b0为考虑桩周土空间受力的换算宽度，m，取2倍的桩受力面桩宽（或桩径）。代入各值求得嵌固点深度t=6.12 m。

2.2 高桩码头平面有限元模型

用易工港口工程有限元设计软件建立平面有限元模型，计算中将结构简化为平面杆系，利用平面有限单元法进行求解。考虑横梁为变截面，两截面之间形心之间用刚性连接；桩顶与横梁形心采用刚性连接；假定横梁和纵梁面板之间的连接为固结，桩底按弹性嵌固的方式考虑。

加载方式：船舶撞击力加在加固排架的横梁处，上部面板承担堆货荷载，并通过纵梁传递给横梁，系缆力通过系船墩加载在排架上，门机荷载直接作用在轨道梁上，并传递给横梁和下部的桩基。建立的高桩码头平面有限元模型如图2所示。

2.3 高桩码头空间有限元模型的建立

用ANSYS有限元设计软件建立空间有限元模型，利用空间有限单元法进行计算。使用shell63单元模拟码头面板，使用beam188单元模拟横纵梁以及桩，分别定义码头各部分材料属性，横纵梁采用C40钢筋混凝土，面板采用C25钢筋混凝土，原有桩基采用C60钢筋混凝土，加固工程采用的PHC管桩为C80钢筋混凝土。由于码头模型在纵向上具有规律性，所以建模过程采用局部建模方法，即先建立局部模型，再复制局部模型生成整体模型。为了保证所有节点能够共同受力，相互耦合，用MERGE关键点的方法将桩与横梁，横梁和纵梁，以及纵梁和面板相互接触的部位连接起来，使码头结构形成一个整体。

加载方式：对桩计算嵌固点深度处施加全约束，对整个码头施加重力加速度，在靠泊点处施加撞击力和系缆力等集中力。在轨道梁上加载装卸机械流动荷载，并在面板上施加均布荷载来模拟堆货的情况。建立的高桩码头空间有限元模型如图3所示。

图2 高桩码头平面有限元模型Fig.2 Plane finite element model of high⁃pile wharf

图3 高桩码头空间有限元模型Fig.3 Space finite element model of high⁃pile wharf

3 两种计算方法的比较

3.1 码头荷载

根据设计船型，按照《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）［7］有关规定计算撞击力、船舶系缆力等船舶荷载。码头荷载选取时按最不利情况来计算，得出码头在较危险情况下的受力情况。

3.1.1 船舶撞击力

根据计算结果，原码头H500D型护舷不能满足2万t级船舶的靠泊要求，须将码头护舷改造为Ф1 200 mm圆筒型护舷。

3.1.2 船舶系缆力

根据风和水流最不利工况进行组合，系缆力计算结果见表3。

3.1.3 均布荷载

两轨之间10 kN/m2，其余部位20 kN/m2。

3.1.4 流动荷载：

近期为10 t-30 m门机；远期为3 000 t/h装船机；流动荷载按3 000 t/h装船机进行计算：轨距15 m，基距12 m，6轮/腿，轮距0.765 m，最大轮压300 kN/轮。

3.2 桩基内力比较分析

平面有限元和空间有限元两种计算方法下，四种组合对应所计算的最大轴力比较以及空间有限元软件计算的加固与非加固排架桩轴力最大值比较见表4。

表2 船舶撞击力计算结果Tab.2 Calculation results of ship impact force

表3 船舶系缆力计算结果Tab.3 Calculation results of ship′s mooring force

表4 两种计算方法对应桩轴力计算结果Tab.4 Results of pile′s axial force calculated with two methods

通过表4的计算结果可以发现，使用平面有限元软件和空间有限元软件对码头结构进行计算时，两种方法计算的最大桩轴力的结果相差不大，数值上的差值在5%的范围内，可以看出两者对于上部竖向荷载的分配比较接近。但空间有限单元法对于不同排架的桩力结果也有很好的反映，更能体现出加固排架与非加固排架的内力差异。可以看出，由于新增系靠船点，大型船舶所带来的超过原有设计的荷载被加固排架的桩基很好的承担，加固排架桩力和非加固排架的桩力两者的差值在60%～110%的范围，由于加固桩刚度大于普通桩基，加固排架的桩力要显著高于非加固排架。

3.3 上部结构横梁内力比较分析

平面有限元和空间有限元两种计算方法下，四种组合对应所计算的横梁的最大弯矩值和最大剪力值见表5。

表5 两种计算方法对应横梁弯矩及剪力计算结果Tab.5 Results of beam′s bending moment and shear calculated with two methods

通过表5的计算结果对比可以发现，使用平面有限元计算软件对码头结构段进行横梁内力分析时，将码头结构段所受的荷载按经验方法分配到每一榀横向排架上，把空间问题简化为平面排架问题进行研究，这种荷载分配方式使得每榀排架所受的荷载比实际承受的荷载大，因此计算得到的每榀排架中的横梁内力比实际内力值大。而使用空间有限元计算软件对码头进行计算时，从空间整体性的角度进行分析，较为真实地模拟实际荷载作用下每榀横向排架不同的受力状况，可以看出，空间有限单元法计算的结果基本小于平面有限单元法的结果。

4 主要结论

（1）高桩码头加固改造工程按平面和空间两种计算方法在同一荷载组合情况下计算所得的桩基内力比较接近，说明对于竖向荷载作用下桩基内力分配问题，平面有限单元法和空间有限单元法的处理方法比较接近。

（2）平面和空间两种计算方法对横梁内力差异较大。荷载的大小、分布方式、作用点位置对横梁的内力有很大的影响；高桩码头加固改造工程按平面和空间两种计算方法计算在同一荷载组合下横梁内力时，由于平面有限单元法将码头结构简化为平面排架问题，所有荷载简化后均作用在横向排架上，而空间有限单元法则从空间整体性考虑，比较真实的反映了荷载作用情况，因此两种计算方法对横梁内力差异较大。

（3）平面有限单元法设计的高桩码头加固结构一般偏向安全保守，按照这种方法设计的结构承载能力有较多的富余，但是对于复杂荷载组合情况下的构件内力分析并不足够准确。空间有限单元法从空间整体角度分析结构，其求得的各结构构件内力值通常比较接近实际构件内力情况，用这种方法设计的结构比较经济，但是建模求解相对繁琐。因此对于比较重要的、工程量较大的高桩码头加固改造工程，建议在确定加固改造方案阶段采用平面有限元法进行计算分析；在进行主要构件内力分析与配筋时，可以对推荐方案进行空间有限元分析。这样既可发挥平面有限元软件在建模简易和计算速度快的优点，也可充分发挥空间有限元软件计算特点，合理确定内力，节约工程造价。

［1］华晓敏，周晓春，李增光.镇江港大港港区2#-5#泊位码头结构加固改造工程设计［J］.水运工程，2011（10）：71-75. HUA X M，ZHOU X C，LI Z G.Strengthening design of berths No.2～No.5 of Dagang port district in Zhenjiang port［J］.Port&Wa⁃terway Engineering，2011（10）：71-75.

［2］陈秀瑛，范平易.长江石化码头结构的升级改造设计［J］.水运工程，2011（11）：129-132. CHEN X Y，FAN P Y.Design of structure upgrade on petrochemical wharf in the Yangtze River［J］.Port&Waterway Engineering，2011（11）：129-132.

［3］王轩.天津港老旧码头加固和加深改造［J］.港工技术，2011（1）：29-31. WANG X.Consolidation and Deepening Renovation of Old Berth in Tianjin Port［J］.Port Engineering Technology，2011（1）：29-31.

［4］王婷婷，陈振民，何文钦.高桩梁板码头结构设计中的空间有限元分析［J］.水运工程，2009（7）：118-123. WANG T T，CHEN Z M，HE W Q.Spatial finite element method applied in beam⁃slab high⁃pile wharf′s structural design［J］.Port &Waterway Engineering，2009（7）：118-123.

［5］交通运输部第一航务工程勘察设计院.海港工程设计手册（中册）［M］.北京：人民交通出版社，1994.

［6］JTS 167-4-2012，港口工程桩基规范［S］.

［7］JTS 144-1-2010，港口工程荷载规范［S］.

Comparative analysis of calculation methods for reinforcement and reconstruction of high⁃pile wharf

GONG Wei⁃jie1，TAO Gui⁃lan1，ZHOU Yu2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering，Hohai University,Nanjing 210098,China；2.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co.Ltd.,Nanjing 210006,China）

A project,which is a high⁃pile wharf being reconstructed and reinforced in Jiangsu,can be an exam⁃ple to be analyzed by plane and space finite element models separately and the internal forces of the reconstructed wharf were calculated under different loading combinations.The conclusions of the research show that:（1）Based on the results of plane and space calculation methods,the pile internal forces in the reconstructed and reinforced high⁃pile wharf approximate to each other under the same loading combination.（2）The plane finite element model makes all the loads assumed to act on the transverse bents after the simplification.However,the space finite ele⁃ment model can be loaded by the real loading distribution.Therefore,a great difference exists in the results of beam internal forces due to the two calculation methods.（3）According to the characteristics of the plane and space finite element calculation method,for the more important and large quantities of reinforcement and reconstruction project, the plane finite element method is suggested to use for the project plan,and it is suggested to use the space finite element method to analyze the internal force and arrange reinforcements of main components.

high⁃pile wharf;reinforcement and reconstruction;finite element;space finite element;calcula⁃tion methods

U 656.1+13

A

1005-8443（2016）03-0279-05

2015-11-02；

2016-01-18

龚伟杰（1991-），男，福建省莆田市人，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海工程研究。

Biography：GONG Wei⁃jie（1991-），male，master student.