高桩码头加固改造模板式钢套箱受力有限元分析

郭春玲，王 娜，邹一波（.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300；.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300）

高桩码头加固改造模板式钢套箱受力有限元分析

郭春玲1，王 娜2，邹一波2
（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222）

模板式钢套箱既可作混凝土模板，又能兼作止水围堰。结合高桩码头加固改造工程实例，以钢套箱在封仓混凝土浇注前后的两种受力状况为关键控制工况，采用有限元方法分析了模板式钢套箱结构的应力和内力。

钢套箱，高桩码头，加固改造，有限元分析

引 言

随着经济建设和对外贸易的快速发展，部分高桩码头通过能力不足、泊位等级偏低的问题越来越突出。在沿海岸线资源日益减少的情况下，在役高桩码头结构的加固改造、靠泊能力提升，成为港口建设的重要组成部分。自20世纪80年代后期，天津港和上海港已陆续开展对在役高桩码头的加固改造，2013年天津港北疆港区启动老码头加固改造工程，其中1961年竣工投产的16～18号泊位采用分离式墩台加固改造方案，在墩台施工中以钢套箱结构作混凝土模板，兼作止水围堰。

钢套箱是由侧壁、底板、梁系、拉压杆等组成的箱式钢质构件，其截面形状、抗浮能力、制作及安装工艺有较强的适应性，在黄浦江大桥（1974年开工）、杭州湾大桥［1］、港珠澳大桥［2］、柬埔寨洞里萨河大桥［3］、牙买加Rio Grande大桥［4］的承台施工中均有成功应用，曹妃甸原油码头工程靠船墩和系缆墩采用了一种圆锥台体钢套箱，东海大桥近海风电场风机基础工程采用了一种圆形截面钢套箱，湘江长沙综合枢纽船闸及左汊桥梁工程中开发了一种新型的预应力钢套箱。目前，钢套箱结构多用于桥梁工程水下承台施工，在码头工程中的应用较少，在高桩码头加固改造工程中的计算与分析尚未见诸报道。本文针对天津港北疆港区 16～18号泊位加固改造工程模板式钢套箱，采用有限元方法分析其结构受力。

1 工程概况

天津港北疆港区 16～18号泊位为高桩码头，原设计为3个1万t级杂货码头，改造完成后形成2个5万t级散杂货泊位。改造方案可简述为：1）拆除原码头结构临海侧约4 m宽度范围内除预应力混凝土空心方桩的其他构件；2）沿码头前沿线布置26组直径1 000mm钢管桩（每11～12根一组）；3）钢管桩上部现浇L形靠船墩；4）各L形靠船墩之间打设预应力混凝土方桩并安装上部结构。改造施工完成后，码头前沿线在现有基础上向海侧凸出2.2 m。

为在干环境中浇注L形靠船墩，保证混凝土质量，工程采用可止水防渗的钢套箱作现浇混凝土模板。设计要求改造后原有码头结构不受船舶荷载作用，L形靠船墩需设预留孔，使下部未拆除的预应力混凝土空心方桩穿过墩台，且两者之间留有缝隙。受L形靠船墩下钢管桩桩位、泊位原桩位及码头未拆除部分的限制，钢套箱在纵向非轴对称，结构将承受较为明显的偏心荷载，在自重、静水压力、新浇混凝土压力等荷载作用下可能发生倾覆或产生过大局部应力，这与常规钢套箱有明显不同。

2 钢套箱结构特点和受力控制工况

表1 钢套箱结构各构件的位置、名称和材料

图2 钢套箱底板和侧壁

图3 钢套箱断面

用于L形靠船墩现浇施工的钢套箱结构各构件的位置、名称和材料列于表 1，底板和侧壁如图 2所示，桁架和拉压杆断面如图3所示。钢套箱面板间采用螺栓连接，连接处设垫板；内围囹均与扁钢焊接，外围囹与内围囹焊接；纵、横侧壁角部横向围囹相交处采用把角螺栓连接。桁架上下层主梁通过牛腿与钢套箱横侧壁相连，拉压杆的顶端和底端分别与桁架下层主梁和钢套箱底板相连，下层主梁支撑于4根持力钢管桩桩顶。荷载由拉压杆和牛腿传递给桁架，再由4根持力钢管桩传递给地基。

经分析，封仓混凝土浇注前后钢套箱的两种受力情况为关键控制工况，列于表2。工况1考虑：钢套箱安装完成，承受自重力和静水压力，静水压力对侧壁和旧桩孔壁作用方向为水平向，作用力相互抵消；对底板作用方向为竖向，通过钢管桩传至地基。工况2考虑：一次性浇注封仓混凝土浇注，浇注高度为1.80 m，浇注完成时混凝土尚未初凝，将新浇混凝土视为Bingham流体，对钢套箱底板和侧壁均有压力作用，此时钢套箱承受自重力、静水压力、混凝土压力作用，所有竖向荷载均通过钢管桩传至地基。由于施工期气象窗口良好，为简化计算，工况1和工况2均不考虑水流力和波浪力作用。

表2 钢套箱结构受力关键控制工况及荷载组合

3 钢套箱结构受力有限元分析

3.1 钢套箱有限元模型

采用有限元分析软件ANSYS建立钢套箱整体有限元模型。模型选用ANSYS-18X族单元［7］，采用SHELL181单元模拟原平钢板、扁钢加强肋和钢管桩，以BEAM188单元模拟桁架、拉压杆、槽钢加强肋。考虑到侧壁和底板围囹分布具有层次性，为使模型几何尺寸与实际模板一致，并尽量提高计算效率，采用 SHELL181单元模拟围囹腹板，用BEAM188单元模拟围囹上、下腿。钢套箱结构受力有限元模型如图4所示。

图4 钢套箱结构受力有限元模型

3.2 计算结果与分析

对钢套箱整体有限元模型分别施加工况1和工况2中的荷载作用，并在钢管桩假想嵌固点位置施加全约束后，求解得到钢套箱的应力，图 5列出Mises等效应力云图。对于采用SHELL181单元模拟的底板和侧壁的面板及围囹腹板，提取第1主应力1σ、第3主应力3σ、剪应力τ计算结果，并统计得到应力最值，列于表 3；对于采用 BEAM188单元模拟的槽钢加强肋、桁架梁系、拉压杆，提取弯矩、轴力、剪力计算结果，并统计得到内力最值，列于表4。表3和表4中同时分别列出了材料强度设计值和构件内力设计值。

图5 钢套箱结构Mises等效应力

表3 底板、侧壁主应力和剪应力计算结果

表4 型钢加强肋、桁架梁系、拉压杆内力计算结果

对比表3中数据可知，在两种关键控制工况下，底板面板的第3主应力σ3均超过Q235钢的抗压强度设计值，横侧壁面板的第 1主应力 σ1则均接近Q235钢的抗拉强度设计值。将底板、纵横侧壁面板厚度分别由10mm、8mm增加为16mm、12mm，重新计算，仍出现这一结果。单独提出底板和横侧壁面板的主应力（如图6和图7所示）分析可知，两种工况下面板主应力值超过材料设计值的点均在与钢管桩及桁架主梁相接的位置，其余位置的主应力值均未超过设计值。可以推断该现象是应力集中引起的，而且靠增加板厚并不能有效消除应力集中。将Q235钢换为Q345钢可以提高材料强度设计值，但不能缓解应力集中，从经济性考虑，沿钢管桩一周布置加强板，增加面板与钢板桩的接触面积，是更合理的措施。

钢套箱的加强肋、桁架梁系、拉压杆与其他构件均为刚性连接（焊接），这些构件均超静定，因此表4中所列构件均既有弯矩又有轴力，对比表中数据可知，各构件弯矩、轴力、剪力的计算值均低于设计值，表明在工况1和工况2中的荷载作用下，加强肋、桁架梁系、拉压杆能满足承载要求。

图6 底板面板第3主应力

图7 横侧壁面板第1主应力

4 结 论

采用有限元方法对天津港北疆港区 16～18号泊位加固改造工程模板式钢套箱结构进行了受力分析，得到下列主要结论：

1）对于钢套箱结构，在杆件与面板相接的位置存在刚度突变，容易发生应力集中，靠增加有限的板厚不能有效缓解应力集中。将 Q235钢换为Q345钢可以提高材料强度设计值，但也不能缓解应力集中，从经济性考虑，沿杆件一周布置加强板，用以增加面板与杆件的接触面积，是更合理的措施。

2）在工况1和工况2中的荷载作用下，加强肋、桁架梁系、拉压杆等构件的弯矩、轴力、剪力计算值均低于设计值，能满足承载要求。

3）模板式钢套箱结构既能作混凝土模板，又可作止水围堰，在码头加固改造工程中的适应能力强。但仍需从材料选择、结构布置方面优化钢套箱结构，并研究非轴对称钢套箱的吊装方法。

［1］张连江，袁涛.钢套箱在杭州湾跨海大桥工程Ⅶ标段承台施工中的应用［J］.中国港湾建设，2006，146：49-52.

［2］冯清海，刘明虎，李国亮.港珠澳大桥青州航道桥塔墩防船撞数值模拟与性能分析［J］.武汉理工大学学报，2014，38（1）：143-146.

［3］程文华，张永林，劳振威.单壁带底钢套箱在柬埔寨洞里萨河大桥施工中的应用［J］.建筑施工，2009，31（6）：492-494.

［4］张文邦.有底钢套箱在牙买加Rio Grande大桥工程施工中的应用［J］.中国水运，2012，12（11）：192-193.

［5］杨桂根，夏芳.预应力钢套箱在湘江长沙综合枢纽工程中的应用［J］.中国港湾建设，2012，182：57-61.

［6］杨荣君，秦武，沈斌，等.金颉臻高桩码头结构新型加固改造方案设计［J］.水运工程，2013，484：122-127.

［7］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007，10.

Finite Element Analysis of Stress on Template-type Steel Box Used for a High-pile Wharf Reinforced Reconstruction Project

Guo Chunling1，Wang Na2，Zou Yibo2
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China； 2.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First harbor engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Template-type steel box can be used to be not only a concrete formwork，but also a water-stop cofferdam.Based on a high-pile wharf reinforced reconstruction project，the stress and internal force of the template-based steel box are analyzed by using finite element method subject to two stress states before and after concreting as key control work conditions.

steel box； high-pile wharf； reinforced reconstruction； finite element analysis

U656.108；O241.82

A

1004-9592（2016）05-0041-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160511

2016-04-22

郭春玲（1984-），女，工程师，注册土木工程师（港口与航道），主要从事港口水工结构设计工作。