浅谈桩基—重力式复合结构在深水码头中的应用

贺飞

摘 要：随着现代航运事业不断向着规模化、泊位深水化的快速发展，码头工程建设设计需要挑战来自恶劣自然条件、深水环境等各方面因素，以往建设的码头结构形式也面临着生产需求的淘汰。可见，怎样通过科学合理的码头结构型式设计，来调整离岸、开敞、深水作业等要求逐步成为当前码头水工结构建设需要亟待解决的问题。本课题通过调研国内外码头水工结构的前沿信息，提出了现代化的桩基-重力式复合结构形式，并运用传统计算原理和ANSYS结构模型，对其抗倾抗滑稳定性、抗倾稳定性、基床承载力、组合桩承载力和节点强度等内容进行了计算，并给出了的施工顺序。本文的研究展现了桩基重力式码头水工结构在深水作业条件下的适用性。

关键词：ANSYS 深水码头 桩基 复合结构

随着传统码头岸线资源的不断枯竭与现代船舶规模化的要求，加快码头结构的深水化发展不断成为现代码头工程建设的重要方向。新型桩基-重力式复合码头结构形式不但能够继承传统码头结构的优势，还可以适应现代深水作业条件的要求，不断成为我国码头工程建设研究的重要课题之一。本文通过某实际外海深水码头结构的工程建设应用研究，并建立有限元模型分析，验证其了适用性。

1.工程建设概况

南方某沿海地区包括三个深水港口航运区。由于建设年代久远，面临的淤积问题、泊位数量问题等很长时间内难以找到良好的解决方案，并不断影响到该地区航运的正常运行。此外，大量的船舶泊位受限、码头吨位基本低，都严重影响了现代的需求，因此，该地区规划建设新港口吨位达到30万的港口码头工程。

水深问题是该是30万t码头要解决的重要问题之一，该建设区域所处的水深环境、码头选炼厂厂址等是该工程设计的主要考虑问题，新建码头选址处于水深条件较好的深水区，该区域的-20m等深线范围距离岸边的距离不到2公里，比较适合货物运输。新建码头的整体呈现出“蝶”字形式，总长度为达到450m，其码头面标高达到9.0m，其前沿水深達到-24.8m。码头整体布置有工作平台一个、靠船墩两个。新建码头所在区域的地质环境良好，岩面埋藏深度较小。仅从地质环境方面来看，该码头比价符合选取桩基-重力式码头结构体系。

2 .桩基-重力式复合结构计算和ANSYS模型建立

2.1计算内容与原理

关于桩基-重力式复合结构水工结构的计算，国内外工程实践中主要控制内容包括：结构体系的抗倾验算、抗滑移验算、结构整体稳定性验算、基床承载性能验算、下部结构承载性能验算、连接节点验算、桩基整体强度验算等内容。新型结构体系的主要构件如沉箱、砼承台、钢管砼桩等的计算要求和指标与传统钢筋砼结构体系的计算控制指标相同。主要控制计算原理如下：

（3）基床承载力计算

关于基床的承载性能计算可以参考现行重力式码头设计与施工规程之中的计算方法进行计算，公式为：

（4）钢管混凝土组合桩的计算钢管砼预应力桩的计算参考传统钢筋砼解耦股计算原理。

（5）桩基与沉箱的节点强度的计算

关于桩基和沉箱基础的节点验算，是该工程类型码头结构体系的关键部位之一。目前水工结构类规范并没有制定特别的计算方式与构造方式，工程实践中大多数选取端部加固或埋入等方式来实现。具体如图1所示。

2.2主体水工结构ANSYS建模

（1）实体单元的选取

根据该桩基-重力式复合结构体系的特点，该工程运用有限元模拟软件 ANSYS来完成该解耦股的建模。由于该码头水工结构有多重材料构成，为达到结构实际受力和应变特点，该结构选取三维单元模型进行模拟和分析。

由于水工主体结构选取的是复合钢筋砼材料，根据有限元模拟的特点，该结构中选取solid65单元进行港口码头水工结构模拟。有限元分析内容主要包括下部结构的应变、钢管砼柱受力特性等；对于钢管所用的钢材和沉箱外部结构，选用solid45实体单元进行模拟；对于杆件和支撑体系，该结构中选取link08 进行模拟；关于接触问题，如钢管与砼之间的接触，该项目选用弹簧单元进行模拟。

（2）水工结构建模步骤和结果分析

①实体模型的建立

该主体结构建模首先使用CAD软件做出线框模型，并运用ANSYS软件所给出的接口将其导入，实现实体单volume建模。

②网格划分

由于该结构整体体积较大，因此选用自由划分，网格长度为1.0m。该课题运建立的ANSYS有限元结构模型见图2所示。

2.3计算结果分析对比

结构计算内容主要包括 工作平台、靠船墩、引桥、系缆等部分。验算内容主要包括结构的抗滑移力大小、抗倾覆力矩、基床顶面应力等内容。通过对主要指标的运算，能够展现出了桩基—重力式符合结构体系的良好承载性能。

通过运算发现，该新建码头工程在靠船墩、系缆墩等部分的抗倾稳定性方面，要比其他结构大1.2倍，相比重力式结构体系也增加了8%左右；其抗滑稳定系数方面，也能达到规范的要求。对于结构的引桥墩的抗倾稳定性方面，该结构的系数超出传统重力式的增加了45%左右。

通过有限元分析结构能够看出，运用桩基-重力式结构体系，能够有效解决港口码头工程建设所面临的深水、大跨度、不均匀沉降等问题。对于传统码头安装与使用过程之中，经常出现倾斜问题，导致后期安装的纠偏困难和使用功能难以实现等问题，必须通过合理的设计和施工安装计算来实现。

3.施工特点和主要工序

3.1施工特点

通常深水码头选用的水工结构形式包括许多种，由于工程量较大，并受到复杂海域环境的影响，导致桩基—重力式符合结构的施工难度较大。

该结构形式码头施工现场对场地的要求比较严格，通常会准备比较大的预制场地来进行变截面的沉箱、管桩来安装，施工过程需借助大型船只设备来配合完成。该工程施工需要结合工期要求，对于施工船机、人员配置与项目组织管理等方面，该复合结构体系提出了较高的要求。

3.2施工顺序

由于该码头选用的桩基-重力式复合水工结构体系，在设计和施工方面的特殊性，要求必须采取科学的施工工序来建设，具体如下：

桩基—重力式码头结构的施工准备→樁基工程施工→预制基础结构吊装→地基处理和基床施工→基床抛石与平整处理→半潜驳出运复合结构体系施工，协调浮吊结构安装→水下部分基础施工→钢管砼主体结构的承台部分浇筑施工→附属构件的安装施工。

4.结论

当前国内关于桩基-重力式复合结构体系的码头工程建设案例还比较少，本文借助国内实际工程案例，对新型桩基-重力式深水码头结构，本文通过ANSYS有限元软件，对结构的抗滑移稳定性、结构整体稳定性、倾覆力矩等进行了分析，验证了其适用性。同时本文还给出了新型结构体系的具体施工流程和施工注意事项进行了探讨，希望本文的研究，能够为类似码头水工结构的设计和施工提供指导和参考。

参考文献：

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