钢管桩组合板桩码头结构施工期特性

周鑫，程泽坤，郝嘉凌

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

钢管桩组合板桩码头结构施工期特性

周鑫1，程泽坤2，郝嘉凌1

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

钢管桩组合板桩码头结构是一种新型结构，准确把握该结构施工期的变位特性是保障结构设计安全、适用的前提。文中利用有限元分析方法对该结构施工的主要工况进行数值模拟，得到施工期最大沉降为9.23 cm，结构最大位移-4.44 cm发生在泥面附近，最大弯矩值为7 525 kN·m；对回填块石的参数进行敏感性分析，敏感度块石最高，泊松比次之，弹性模量最小。对于沉降而言，弹性模量和泊松比增加会引起沉降减小，重度相反，对于位移和弯矩而言，弹性模量增加会引起其减小，重度和泊松比相反。研究成果可为了解把握该新型结构的特性提供参考。

钢管桩组合板桩码头结构；施工期；结构特性；敏感性分析

0 引言

传统的锚碇板桩结构凭借其结构简单、施工便捷、耗材少、造价低等优点在中、小码头和驳岸工程中得到较为普遍的应用。随着码头前沿水深的不断加大，板桩墙填土高差超过了20 m以上，传统的板桩结构已经难以适应，因此围绕着传统板桩码头的创新不断涌现，如板桩+卸荷平台结构、遮帘式板桩结构等[1-4]。

本文将介绍另一种在传统板桩结构基础上研发的新型结构，即钢管桩组合板桩码头结构，见图1。

图1 钢管桩组合板桩结构断面图Fig.1Cross section of the steel tubular-sheet pile combined structure

该结构形式能够有效地解决板桩码头适应大型化、深水化的问题，同时，凭借国内钢材市场价格优势，利用该结构能够有效地降低工程造价[5]。该结构设计的关键就是准确把握施工期结构的变位特性，以保障结构设计的安全性和适用性。本文将利用有限元分析方法对该结构施工的主要工况进行数值模拟，得到不同的施工步骤对结构的影响，并对回填块石的参数进行了敏感性分析，可为相关人员了解把握该新型结构的特性提供参考。

1 工程背景

某码头工程中采用了钢管桩组合板桩码头结构形式[6]，结构断面如图1，码头前沿设计水深-17.5 m，码头面高程5.36 m。

码头前板桩墙为φ2 050 mm、壁厚24 mm钢管桩和AZ12-700型钢板桩组合的形式，见图2；后排桩为φ2 050 mm、壁厚24 mm钢管桩，前、后排钢管桩兼作轨道梁基础承受装卸桥竖向荷载，轨距为30 m。前、后排钢管桩之间通过φ100 mm GLG550钢拉杆连接，间距3.5 m，两根1组。

图2 钢管桩组合板桩结构体系Fig.2Structural system of the combined structure

该结构施工的一般顺序为：1）沉入前、后排钢管桩，并在前排钢管桩之间安装Z形钢板桩；2）钢管板桩墙后回填；3）安装拉杆；4）回填至码头面标高；5）安装码头附属设施；6）泊位疏浚。

2 研究模型及模拟工况

PLAXIS是由荷兰代尔夫特理工大学开发的岩土分析有限元软件，具有强大的岩土工程分析能力，能够模拟复杂的工程地质条件，并具有对土体进行加载和卸载分析的能力，能够较好地分析施工过程对板桩码头结构的影响，现已广泛应用到各种复杂的岩土工程项目的有限元分析中[7]。

板桩码头施工期的变位是关键问题，通过PLAXIS软件进行数值分析，利用PLAXIS强大的岩土分析能力和分步施工功能，既可对每个施工过程的结构内力和变形有所把握，又能得到各个不同的施工过程结构与土体的相互作用情况。

在此结构体系中，由于钢管桩和钢板桩的抗弯刚度有着数量级的差距，钢板桩所能分担的弯矩非常有限，锁扣能够协调变形且具有很高的连接强度。故简化所有水平力荷载均由钢管桩承受，钢板桩与锁扣协调在一起水平向地传递土压力，简化为二维平面模型进行计算[8]。

通过试算确定对结构内力无明显影响的土体计算范围：竖向深度取至-55 m高程，竖向高度为5.36 m。水平方向以前板桩墙为基线，向海侧延伸至45 m处，向陆侧延伸至100 m处，见图3。

前、后排桩采用板单元模拟，土体用15节点三角形单元模拟，拉杆采用点对点锚杆单元模拟，土体本构模型采用摩尔-库伦模型，土体参数见表1。

图3 有限元模型Fig.3Finite element model

表1 土层参数表Table 1Soil parameters

回填块石采用线弹性模型，重度17 kN/m3，弹性模量E=80 MPa，泊松比v=0.25。

强风化岩层采用线弹性模型，重度为19.5 kN/m3，弹性模量150 MPa，泊松比取0.3。

钢管桩采用板单元模拟：E=206 GPa，I= 0.078 4 m4，A=0.152 8 m2，前排桩间距为3.5 m，后排桩间距为5.1 m，计算时分别取用每延米的数据。

拉杆材料类型为弹性，EA=3.236×106kN，间距设置为3.5 m。

模拟工况：

施工期：工况1至4分别对应图1中各次抛填块石；工况5对应图1中分层回填碾压块石；工况6，码头前沿从-16 m疏浚至-18 m水深（考虑0.5 m挖泥超深）。

使用期：工况7，前轨轮压90 t/轮，后轨轮压70 t/轮，面部均载30 kPa。

3 计算结果及分析

3.1 沉降

施工期各工况沉降值如表2所示，典型的竖向位移Uy云图如图4所示。

表2 沉降统计表Table 2Result of settlement

从位移云图中可以看出沉降主要发生的位置位于回填块石区域的上部，最大沉降为9.23 cm，随着施工过程的继续呈现不断增大的趋势。从沉降结果中发现：使用期的沉降量只有施工期沉降的13.96%，故施工期的沉降为主要沉降，需要重点关注。工况5对沉降的影响较其他过程相对明显，沉降的增量较大。码头施工结束后可通过继续回填块石以解决沉降问题。

3.2 前后排桩位移和弯矩

典型的前后排板桩墙水平位移Ux如图5所示，主要工况位移结果见表3，弯矩如图6、图7。

图4 工况5竖向位移云图Fig.4Verticaldisplacementnephogramofworkcondition5

图5 工况6前、后排桩水平位移Fig.5Horizontal displacement result of piles in work condition 6

表3 结构位移统计表Table 3Statistical table of structural displacement

图6 前排桩弯矩图Fig.6Distribution of bending moment of forward piles

图7 后排桩弯矩图Fig.7Distribution of bending moment of back piles

从前、后排桩的水平位移图中可以看出其变形的趋势：前排钢管桩在后方陆域回填的过程中会呈现顶部向海侧方向发生位移的趋势，最大位移处与施工步骤相关，前3个工况位移最大处位于桩顶，后4个工况位移最大处位于泥面附近，最大值为4.44 cm。后排钢管桩由于受到后方大规模回填作用位移均朝向海侧，最大值为3.25 cm。前、后排钢管桩使用期的最大位移分别为施工期的22.07%和20.31%，故应重点考虑施工期的结构位移。

从前、后排桩的弯矩图中可以看出施工过程对弯矩的影响较大。从图6中看出：第4次回填随着墙后块石产生的侧向压力，弯矩有较大的增加；最大负弯矩发生在工况7泥面处，值为7 525 kN·m，最大正弯矩发生在工况7中桩身-27 m高程处，值为3 672 kN·m。从图7中看出：工况3和4的弯矩变化较大，由于工况4中前排桩墙后发生了回填，弯矩较工况3有较大的减少；最大负弯矩发生在工况7中桩身-15 m高程处，值为4 082 kN·m，最大正弯矩发生在工况7中桩身-26 m高程处，值为3 524.1 kN·m。

3.3 回填块石敏感性分析

由于回填块石参数取值对结构产生的影响程度并不能准确把握，故针对回填块石的参数进行了敏感性分析。

块石的参数主要有重度、弹性模量和泊松比，本阶段研究主要通过分别增加上述参数的比例，分析其对沉降、弯矩及位移的敏感度。本阶段研究主要针对施工期最后一个工况（工况6）进行，结果如表4、表5所示。

表4 沉降量敏感性分析参数统计表Table 4Parameters of settlement sensitivity analysis

表5 前、后钢管桩位移敏感性分析统计表Table 5Displacement sensitibity analysis of forward and back steel-pipe piles

从表4中可以看出弹性模量和泊松比的增加均会引起沉降量的减小。弹性模量每增加20%，沉降量分别减少0.73 cm和0.53 cm；泊松比每增加20%，沉降量分别减少0.22 cm和0.31 cm；重度每减少和增加1 kN/m3，沉降量分别减少0.87 cm和增加0.87 cm。故对沉降敏感度最高的是块石重度，其次是弹性模量，泊松比的影响最小。

从表5中可以看出块石重度和泊松比的增加会引起前、后排桩的位移增加，而弹性模量的增加会引起位移的减小。块石重度减小1 kN/m3，前、后排桩位移分别减少了0.62 cm和0.41 cm；块石重度增加1 kN/m3，前、后排桩位移分别增加了0.41 cm和0.36 cm。泊松比每增加20%，前排桩位移分别增加了0.87 cm和1.17 cm，后排桩位移分别增加了0.44 cm和0.53 cm。弹性模量每增加20%，前排桩位移分别减少了0.1 cm和0.08 cm，后排桩分别减少了0.26 cm和0.17 cm。从结果中看出对位移敏感度最高的是块石重度，其次是泊松比，弹性模量的影响最小。

通过分析各参数下前、后排桩弯矩的数据发现：块石弹性模量每增加20%会引起前排桩的最大负弯矩分别减少208.64 kN·m和148.35 kN·m，最大正弯矩变化很小；后排桩最大正弯矩分别减少158.2 kN·m和155.85 kN·m，负弯矩影响较小。块石泊松比每增加20%，对前排桩最大负弯矩的值影响较小，主要在于其作用的位置逐渐向上移动，最大正弯矩分别增加了894.76 kN·m和839.48 kN·m；对后排桩的影响较大，泊松比每增加20%，最大负弯矩分别增加了638.62 kN·m和685.58 kN·m，最大正弯矩分别增加了481.13 kN·m和512.76 kN·m。块石重度每增加1 kN/m3，前排桩最大负弯矩分别增加488.58 kN·m和437.98 kN·m，最大正弯矩分别增加425.7 kN·m和742.3 kN·m；后排桩最大负弯矩分别增加428.85 kN·m和489.9 kN·m，最大正弯矩分别增加328.6 kN·m和381.34 kN·m。从结果中看出对弯矩敏感度最高的是块石重度，其次是泊松比，弹性模量的影响最小。

4 结语

1）从钢管桩组合板桩码头结构工程案例分析来看，其施工期结构的变位量远大于营运期，弯矩受到施工步骤的影响也较为明显，因此，钢管桩组合板桩码头结构设计应重视对施工期结构变位特性的把握。

2）前排桩在整个施工过程中弯矩变化较大，最大位移处位于泥面附近，方向朝向海侧，最大负弯矩发生在工况7中，为7 525 kN·m，位置在泥面处，最大正弯矩发生在工况7中，为3 672 kN·m，位置在约-27 m高程处。

整个过程的后排桩弯矩变化较大，最大位移在-9 m附近，方向朝向海侧，最大负弯矩在工况7出现，为4 082 kN·m，位置在-15 m高程处；最大正弯矩在工况7出现，为3 524.1 kN·m，位置在-26 m高程处。

3）对于回填块石的重度、弹性模量和泊松比进行敏感性分析表明，块石重度对沉降、前后排桩的弯矩及位移均较为敏感，因此在设计中，应慎重选择块石的重度。

块石的弹性模量参数增加会引起弯矩减少，泊松比和块石重度的增加会引起弯矩增大。敏感性块石最高，泊松比次之，弹性模量最小。

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Structure characteristics of steel tubular-sheet pile combined wharf during construction period

ZHOU Xin1,CHENG Ze-kun2,HAO Jia-ling1
（1.Colleage of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Steel tubular-sheet pile combined structure is a new wharf structure,mastering whose characteristics of deformation and displacement during construction period is the premise of ensuring the safety and applicability of the structure design.We use finite element analysis methods to simulate the main working conditions in different construction steps.The results show that the maximum settlement is 9.23 cm,the maximum deformation is 4.44 cm and the maximum bending moment is 7 525 kN·m of the structure.The sensitive analysis of the parameters of backfill stone shows that the most sensitive parameter is unit weight, the second is Poisson's ratio,and the least one is elasticity modulus.For settlement,with the increase of Poisson's ratio and elasticity modulus the results will decrease,unit weight is opposite.For deformation and bending moment,with the increase of elasticity modulus the results will dencrease too,but unit weight and Poisson's ratio is opposite.This paper provides references for related people to learn the new structure.

steel tubular-sheet pile combined wharf structure;construction period;structure characteristics;sensitivity analysis

U656.112

A

2095-7874（2017）05-0023-05

10.7640/zggwjs201705006

2016-10-09

2016-12-14

周鑫（1993—），男，江苏泰州人，硕士研究生，港口、海岸及近海工程专业。E-mail：845432842@qq.com