板桩码头前板桩组合桩基结构设计计算

高羽末，胡亚洲，赵宏元

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

板桩码头前板桩组合桩基结构设计计算

高羽末，胡亚洲，赵宏元

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

目前相关规范中对前板桩组合桩基结构的设计计算尚没有统一的要求规定。本文以唐山湾国际旅游岛月岛施工临时码头项目为例，首先对前板桩组合桩基结构有限元模型桩底约束形式进行了讨论，其次根据桩参数变化对桩身最大弯矩的影响规律提出了优先调整后排桩间距的设计原则，最后结合前板桩组合桩基结构的使用特点，提出以材料屈服强度和结构位移为控制条件，最小桩长为边界条件的结构设计计算方法，该方法可供类似前板桩组合桩基结构的设计和计算参考。

前板桩组合桩基结构；计算模型；设计计算

随着国民经济的发展，土地资源日益成为以一种稀缺资源，前板桩组合桩基结构在航道护岸、小型码头等高挡土结构中应用的越发广泛，但目前规范中对前板桩组合桩基结构的设计计算尚没有统一的要求规定。因此，本文以唐山湾国际旅游岛月岛施工临时码头项目为例，基于有限元软件对桩参数变化对桩身弯矩的英雄规律进行讨论，并结合前板桩组合桩基结构的使用特点，提出以材料屈服强度和结构位移为控制条件、最小桩长为边界条件的结构设计计算方法，该方法可供类似前板桩组合桩基结构的设计和计算参考。

1 工程案例

1.1 项目简介

唐山湾国际旅游岛位于唐山市乐亭县西南的渤海湾中，西邻曹妃甸新城，西北侧为曹妃甸工业区，东北部毗邻京唐港区，由陆域核心区及菩提岛、月岛、祥云岛3个岛屿组成。此次施工临时码头位于月岛西北角，码头岸线长300m。

1.2 主要参数选取

根据唐山湾国际旅游岛总体规划及月岛的建设时序安排，本项目临时施工码头设计使用年限为10年，设计船型为500t货船。工程区域设计高低水位分别为0.98m和-1.13m，50年一遇设计波高为1.93m。根据《海港总体设计规范》（JTS165-2013），本项目码头前沿设计底标高为-3.00m，码头前沿顶高程为2.00m。

2 结构设计

2.1 设计思路

（1）设计原则。根据月岛施工临时码头的特点，以板桩码头为基础，在保证结构使用要求的前提下，尽量使用施工常用建筑材料，减少施工工序、提高整体的经济性。

（2）结构形式。根据上述设计原则，提出了前排采用拉森钢板桩，后排采用工字型钢的前板桩组合桩基结构，其结构示意图如图1所示，其中拉森钢板桩及工字钢是施工现场最为常见的建筑材料，其具有采购方便、抗弯能力强的特点。

图1 码头结构示意图

2.2 施工方法

上述码头结构施工内容以钢结构及钢筋混凝土为主，包括钢板桩和工字型钢的施打，钢筋混凝土结构的浇筑以及附属设施的安装。其中钢板桩和工字型钢的施打采用浮吊船施工，施工难度低，施打效率高；钢筋混凝土结构底标高位于设计高水位以上，施工时可乘潮施工，无需设置施工围堰，支模和钢筋绑扎完成后进行混凝土浇筑即可。

3 参数设计计算

上述结构主要参数包括下部桩基参数和上部挡墙参数，其中上部挡墙参数受桩基参数的影响较大，且该结构桩基占整体造价的比例较高，因此，主要讨论下部桩基参数的设计计算。

3.1 桩底约束形式

计算模型按照竖向弹性地基梁法采用SAP2000有限元软件建立，将结构简化为杆系结构，对钢板桩、工字型钢和挡墙分别进行受力分析。目前多数学者在进行有限元桩基受力分析时，将桩底与地基的连接方式设置为铰接或者固结，桩基入土深度较大时，这样设置通常没有问题，但如果桩基入土的深度较小时，由于水平力作用，桩基底部有较大可能性发现位移，但如果还是将桩底约束方式设为铰接或固结的话，有限元软件默认桩底处位移为0，这就会造成软件计算出的桩身弯矩、结构位移与实际情况有较大出入。而如果将桩底的约束设置为弹簧的话，就可以有效的解决这个问题。因此，根据桩基的入土深度选择合适的桩底约束是有限元计算模型建立成功的关键。

为确定桩底约束对桩身弯矩的影响，基于月岛项目，建立两组模型：A组模型桩底约束为铰接，后排工字钢为12m，分别计算前排钢板桩桩长5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0m共9种工况，B组相比A组模型仅将前排钢板桩桩底约束改为弹簧，其他不变。两组模型计算得到前、后排桩桩身最大弯矩值见表1及图2。

图2 前、后排桩身最大弯矩值变化图

分析上述结果可知，桩底约束分别采用铰接和弹簧时，前、后排桩身最大弯矩的变化趋势基本是一致的，采用铰接约束时，前、后排桩的桩身最大弯矩基本都大于采用弹簧约束时的计算结果。具体来说，桩长小于6m，即入土深度与挡土高度比小于40%时，铰接约束计算结果远大于弹簧约束计算，其中前排桩身最大弯矩约大12.4%，后排桩身最大弯矩约大8.9%。此阶段的弹簧约束计算结果应更接近实际情况；桩长介于6m到7m之间，即入土深度与挡土高度比介于40%与60%之间时，铰接约束计算结果稍大于弹簧约束计算，其中前排桩身最大弯矩约大4.5%，后排桩身最大弯矩约大1.8%，此阶段两种约束计算结果应与实际情况都较类似，尤其是两种约束计算的后排桩身的最大弯矩在桩长为6m和6.5m时基本一致，故可认为这阶段是弹簧约束向铰接约束转变的一个过渡段；桩长大于7m，即入土深度与挡土高度比大于60%时，铰接约束计算结果大于弹簧约束计算，且两者的差值基本一致，其中前排桩身最大弯矩约大10KN·m（5.2%），后排桩身最大弯矩约大1.6 KN·m（6.4%），此阶段的铰接约束计算结果应更接近实际情况。

综上所述，钢板桩底部约束可分3种情况：入土深度与挡土高度比≤40%时为弹簧，40%～60%为过渡状态，≥60为铰接。此外，结构设计以强度控制时，将40%～60%为过渡状态按照铰接来考虑，计算出的弯矩偏大，偏保守；以位移控制时，将40%～60%为过渡状态按照弹簧来考虑，计算出的弯矩偏小，偏节约。

3.2 桩参数影响分析

桩基型号一定时，可变桩参数主要有钢板桩桩长、工字型钢桩长、工字型钢桩间距3个，下面基于唐山湾国际旅游岛月岛临时码头项目，前排桩长取5m至9m，后排桩长取6m至12m，后排桩间距取0.5m至2m，采用控制变量法分别对这3个影响参数对前后排桩弯矩分配的影响进行分析。

3.2.1 前排钢板桩桩长

控制后排工字钢长12m以及后排工字钢桩间距1m不变，前排钢板桩长度从5m增至9m时，前、后排桩身最大弯矩值随前排桩长变化的计算结果见表2及图3。

表1 前、后排桩身最大弯矩计算表

表2 前、后排桩身最大弯矩计算表

表3 前、后排桩身最大弯矩计算表

表4 前、后排桩身最大弯矩计算表

图3 前、后排桩身最大弯矩值变化图

3.2.2 后排工字型钢桩长

控制前排钢板桩长9m以及后排工字钢桩间距1m不变，后排工字型钢长度从6m增至12m时，前、后排桩身最大弯矩值随后排桩长变化的计算结果见表3及图4。

图4 前、后排桩身最大弯矩值变化图

3.2.3 后排工字型桩间距

控制前排钢板桩桩长6m以及后排工字钢桩长12m不变，后排工字钢桩间距从0.5m增至2m时，前、后排桩身最大弯矩值随后排桩间距变化的计算结果见表4及图5。

图5 前、后排桩身最大弯矩值变化图

3.2.4 结果分析

（1）前、后排桩桩身最大弯矩随前排桩桩长增大而减小，但当前排桩桩长增加至8m后，桩身最大弯矩值的变化变趋于缓和，前排桩长变化不再是桩身最大弯矩变化的主导因素；

（2）前、后排桩桩身最大弯矩总体上随后排桩桩长增大而减小，但后排桩长的变化对前、后排桩桩身最大弯矩的影响较小；

（3）前排桩桩身最大弯矩随后排桩间距的增大而显著增大，后排桩身最大弯矩随后排桩间距的增大而显著减小。

（4）前排钢板桩桩身弯矩远大于后排工字钢桩身弯矩，故一般来说前排钢板桩桩截面尺寸较大，后排工字钢截面尺寸较小。因此，在进行桩基参数设计计算时，应优先考虑通过调整后排桩桩间距来使前后排桩水平承载力满足要求，进而降低总体的工程造价。

3.3 桩基参数设计计算

3.3.1 桩基参数设计计算

前板桩组合桩基结构一般应用高挡土、水平力大的情况，此类工况下，结构易发生的破坏和变形主要有两类，一是桩身产生较大弯矩，桩身应力易超过材料的屈服强度；二是结构整体发生较大的水平位移。此外，前板桩组合桩基相比无锚板桩结构增加后排锚锭桩，减轻了前排板桩的受力压力，故而板桩的长度在满足波浪淘刷深度、整体稳定、竖向承载力及弹性长桩四个要求后，能满足结构抵抗外力作用的需求即可，无需满足踢脚稳定的要求。同样，后排桩在满足弹性长桩及竖向承载力两个要求后，亦只需满足结构抵抗外力作用的需求。因此，前板桩组合桩基结构可以以钢材屈服强度和结构位移为控制条件，最小桩长为边界条件，进行桩基参数设计计算，其设计计算流程如图6所示。

表5 最小桩长计算表

图6 桩基参数设计计算流程图

3.3.2 月岛项目计算结果

根据上述最小桩长计算要求，月岛临时施工码头最小桩长计算结果见表5。

根据最小桩长计算结果，前排钢板桩最小桩长需要4.7m，后排工字型钢最小桩长需要7.6m，此时的前排桩身弯矩为311.79KN·m，桩身应力为232.7MPa，接近Q235b的屈服应力，但此时结构墙顶的位移为55mm，超过规范允许值，故而需对前后排桩参数进行调整以满足结构的安全需要，根据前述桩基参数设计计算思路，月岛项目最终桩参数计算结果见表6。

表6 桩参数计算结果表

4 结语

本文依托于月岛临时码头项目，对前板桩组合桩基结构的设计计算进行了研究，主要结论如下：

（1）钢板桩底部约束可分3种情况：入土深度与挡土高度比≤40%时为弹簧，40%～60%为过渡状态，≥60为铰接。此外，结构设计以强度控制时，将40%～60%为过渡状态按照铰接来考虑，计算出的弯矩偏大，偏保守；以位移控制时，将40%～60%为过渡状态按照弹簧来考虑，计算出的弯矩偏小，偏节约。

（2）桩型号一定时，影响前后排桩桩身弯矩的主要因素为前排桩桩长及后排桩桩间距，其中前排桩桩身最大弯矩随着前排桩桩长增大、后排桩间距减小而减小，后排桩桩身最大弯矩随着前排桩桩长增大、后排桩间距增大而减小。

（3）在进行桩基参数设计计算时，应优先考虑通过调整后排桩桩间距来使前后排桩水平承载力满足要求，进而降低总体的工程造价。

（4）以材料屈服强度和结构位移为控制条件，最小桩长为边界条件的结构设计计算方法，适用性强，可为类似前板桩组合桩基结构设计计算提供参考。

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A

1006—7973（2017）12-0044-04

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