高桩码头结构内力计算方法的探讨

李艳清

摘 要：高桩码头结构位移产生的桩弯矩采用嵌固点法，由于嵌固点法对位移作用下计算的内力误差较大，因此计算位移产生的桩弯矩不宜采用嵌固点法，故本文提出码头结构内力计算方法，考虑了桩顶的连接情况、桩的泥上高度、桩身柔性、桩基布置等因素。得出以下结论：①直桩与叉桩受桩顶水平变位影响不大，但叉桩会产生轴力；桩顶刚接时产生弯矩、剪力值大于桩顶铰接。②在纵向水平力作用下，近似将所有基桩的桩顶合成为一个水平刚度，可减小单桩承载力，其值约为原承载力的1/20。本文所提出的计算方法能考虑桩顶的连接情况、桩的泥上高度、桩身柔性、桩基布置等因素，可为设计确定分段长度的计算方法，同时研究温差与纵向荷载作用下结构的内力与变形计算问题，具有很好的推广应用价值，并可为今后修订高桩码头设计规范时补充纵向计算内容提供参考。

关键词：高桩码头 纵向内力 水平荷载 直桩 叉桩

1.引言

现行高桩码头规范没有明确规定纵向力及温差对结构的内力影响如何计算，在设计实践中通常采用以下两种方法：①假设纵向力由专门设置的纵向叉桩承担；②采用空间有限元方法计算纵向作用。前者虽然计算简便，但却没有考虑到大量的直桩与横向叉桩可参与抵抗纵向水平力的作用，也没有考虑伸缩缝受力闭合后相邻分段的共同工作，一般适合于采用简单措施增加码头纵向水平抗力的计算。后者采用空间有限元计算纵向作用又过于复杂，实际上纵向水平力及温差对上部结构产生的内力相对不大，无需精确计算。

由于嵌固点法对水平荷载作用下计算的内力精度较高，而对位移作用下计算的内力误差较大。因此，本文提出结构纵向简化方法，考虑桩顶连接情况、桩泥上高度、桩身柔性、桩基布置等因素的影响，采用精度相对较高的m法计算荷载及位移产生的桩内力；同时研究温差与纵向荷载作用下结构的内力与变形计算问题，可做为设计确定高桩码头分段长度的计算方法。

2.计算基本假定

根据结构受力特性与结构力学基本理论，结构纵向内力设计计算作如下假定：

（1）上部结构的混凝土收缩、气象温差伸缩将带动桩顶产生水平变位，导致基桩产生内力。考虑到码头平台平面变形刚度远大于基桩桩顶的水平刚度，结合结构力学基本原理，可近似认为上部结构的混凝土收缩、气象温差伸缩在平面上的变形是不受约束的。

（2）基桩的桩顶连接分为刚接和铰接两种形式。考虑到刚接桩顶转角刚度一般远小于纵梁体系的转角刚度，故可近似假定刚接桩顶在混凝土收缩、气象温差伸缩及纵向荷载作用下桩顶不产生转角。

（3）纵向計算不考虑结构的平面扭转影响。长分段结构长宽比较大，无论混凝土收缩、气象温差伸缩、或码头上的纵向荷载作用，所产生的码头扭角都不大，可以忽略平面扭转所产生的内力。

（4）基桩受拉与受压的轴向刚度不变。即叉桩在水平力作用下结点基本不产生竖向位移，忽略桩顶结点在温差及水平力作用下产生的竖向位移。

3.桩基内力分析

3.1桩顶单位水平位移产生的桩内力

先分析直桩内力，然后以直桩的成果为基础，进一步分析斜桩的内力。

（1）直桩内力计算

假定泥上高度为h，桩身抗弯刚度为EI，桩相对刚度系数为T，桩顶水平位移为δ。

① 当桩顶铰接时，桩顶水平刚度为：

确定。（桩身A= 0.4 81 m2，I=0.0713m4，E取39GkPa，相对刚度T=2.587m。），当桩顶水平位移为δ=10mm时，内力计算结果如下：

桩顶铰接时，由（式1）得U=657kN/m，由（式5～8）得桩顶剪力Qt=2642*0.01=26.4kN、桩顶弯矩Mt=0；泥面剪力Qs=26.4kN、泥面弯矩Ms=26.4*10=264kN·m；按（式9～10）得泥下弯矩Mλ=292kN·m。

桩顶刚接时，由（式3 ～ 4）得Ψ=7. 3 0 5 m，U =1 0 2 9 5 k N / m，由（式5 ～ 8）得桩顶剪力Qt=10295*0.01=102.9kN、桩顶弯矩Mt=7.305*102.9=752kN·m；泥面剪力：Qs=102.9k N、泥面弯矩Ms=277kN.m；按（式9～10）得泥下弯矩Mλ=434kN·m。

当桩顶铰接时，由（式1）得U=2657kN/m，由（式5～8）得桩顶剪力Qt=2642×0.097=25.6kN，桩顶弯矩Mt=0；泥面剪力Qs=25.6kN、泥面弯矩Ms=25.6kN·m；由（式9～10）得泥下最大弯矩Mλ=283kN·m。

当桩顶刚接时，由（式2～3）式得Ψ=7.305m，U=10295k N/ m，由（3-5）～（3-8）式得桩顶剪力Qt=10295*0.097=99.9kN，桩顶弯矩Mt=7.305×99.9=730kN·m；泥面剪力Qs= 99.9k N、泥面弯矩Ms=269kN·m；由（式9～10）得泥下最大弯矩Mλ=421kN·m。

通过以上计算示例可知，直桩与叉桩受桩顶水平变位影响不大，但叉桩会产生轴力；桩顶刚接时产生弯矩、剪力值大于桩顶铰接。

计算示例3：某码头分段有10榀排架，每榀排架有8根φ1000大管桩，桩泥上长度10m，桩顶刚接，其它情况与上例相同，假定排架的横向叉桩与直桩的单桩桩顶的纵向刚度近似相等，均取U=10295kN/ m，在第二榀排架处另布置有一对纵向受力叉桩，斜度为4：1，桩顶轴向刚度为K= 4 0 0 0 0 0k N/ m，桩顶纵向水平刚度约为400000/4+10295=110295kN/m，则在纵向水平力为5000kN作用下：

码头纵向位移约为：y=5000/（10295*8*10+110295*2）=0.0048m

纵向叉桩每根桩承受的轴力约为：N=0.0048/4*400000=480KN（如假设纵向水平力全部由纵向叉桩承担，则每根桩轴力为5000/2*4=10000kN。）

由此可知，在纵向水平力作用下，近似将所有基桩的桩顶合成为一个水平刚度，单桩承载力约为原承载力的1/20。

5.总结计算步骤

（1）按下式计算直桩水平刚度U和斜桩水平刚度V

（5）将桩顶内力作为外荷载计算纵梁、桩帽或下横梁的内力。假设桩顶反力对纵梁产生的弯矩为MZ，对桩顶为中间支座情况，两侧纵梁弯矩取MZ/2；对桩顶为边缘支座情况，内侧纵梁弯矩取MZ。桩帽内力可根据桩頂反力由静力平衡法直接确定。当采用无桩帽形式、桩基沿下横梁布置时，在温差及水平荷载作用下斜桩桩顶反力对横梁的作用可分解为竖直和水平两个方向计算。

6.结论

（1）本文解决了高桩码头在温差与荷载作用下的纵向设计计算问题，所提出的计算方法能考虑桩顶的连接情况、桩的泥上高度、桩身柔性、桩基布置等因素，可为设计确定分段长度的计算方法。

（2）直桩与叉桩受桩顶水平变位影响不大，但叉桩会产生轴力；桩顶刚接时产生弯矩、剪力值大于桩顶铰接。

（3）在纵向水平力作用下，近似将所有基桩的桩顶合成为一个水平刚度，可减小单桩承载力，其值约为原承载力的1/20。

（4）考虑在温差与荷载作用下高桩码头的纵向计算方法，应用简便合理，能够满足设计精度要求，可作为纵向温差、受力与纵向抗震的简化计算方法。所推荐的计算公式均采用显式表示，适合采用电子表格计算，方便设计应用。

参考文献：

[1]JTS167-1-2010高桩码头设计与施工规范[S].北京：人民交通出版社，2010.

[2]陈明关.高桩码头桩基稳定研究与确定桩计算长度及附加弯矩的探讨[J].水运工程，2008（3）：47—53.

[3]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.离岸高桩码头长分段技术初步研究[R].上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2010.

[4]何良德，刘智慧，董明，等.整体温差作用下高桩码头基桩内力计算方法[J].水运工程，2017（5）：36—41.

[5]刘灵灵，纪龙.高桩框架码头结构内力计算分析[J].珠江水运，2014（10）：76—79.

[6]韩秋颖，袁立莎.关于高桩码头中长桩内力计算方法的探讨[J].港工技术，2013，50（02）：29—31.