水流力对某山区河流高桩码头的作用效应分析

王勇钊

文章以红水河某高桩板梁式码头为例，利用Midas Civil三维有限元软件分析水流力对该高桩码头的作用效应，探讨在山区河流高桩码头结构设计中考虑水流力的重要性，并提出设计时须重视水流力对山区河流高桩码头结构安全的影响。

水流力;山区河流;高桩码头;有限单元法;空间模型

U656.1+13.02-A-49-176-3

0 引言

山区河流水文条件有水位变动大、水位差大、水流速度大等特点。在广西区内，尤其是红水河，水位随季节变动很大，水位变动差最大达到20 m，且在洪水期水流湍急，流速达到3 m/s左右。基于这些因素，建设在内河上的高桩板梁式码头高度高，水流力大。水流力是内河墩式码头及其他透空式码头需考虑的设计荷载，一些外海建筑物当水流速度较大时，也需考虑水流力的作用[1]。在传统的高桩码头结构受力分析中，通常将码头简化为平面排架计算，这往往会对水流力作用考虑得不够充分，造成码头在使用期出现较大位移，影响码头的安全使用和寿命。因此，利用有限单元法对水流力作用下的高桩码头进行研究，有一定的现实意义。

Midas Civil是通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计[2]。Midas Civil软件具有专业针对性强、灵活性好、用户界面直观等优点。本文利用Midas Civil软件建立有限元模型进行分析，能准确地模拟码头受力情况。

1 工程概况

1.1 项目概述

项目位于红水河流域来宾段，建设规模为新建500吨级件杂货泊位和散货泊位各1个，水工结构满足1 000吨级船舶停靠。码头顺岸布置。码头采用高桩框架式结构，为全直桩结构，设计使用年限为50 年。

码头设计高水位为105.45 m（三年一遇），设计低水位为82.0 m。设计高水位时水流设计流速为3.0 m/s。

1.2 高桩码头主尺寸

码头平台长113.0 m，宽34.4 m，码头面高程为107.0 m，前沿泥面高程为78.5 m。码头分成3个结构段，分段长度分别为37.9 m、36.0 m、39.1 m。高桩框架结构的面板、纵梁、横梁、连系梁、柱子、桩基等构件混凝土等级均为C30，全部采用现浇施工工艺。

桩基采用冲孔灌注桩，共布置由河侧至陆域侧A～D共4排13列桩，横向桩间距为3×10.5 m，纵向桩间距为12×9.0 m，桩直径为1.5 m。桩基嵌入较完整灰岩深度≥4.5 m。

桩、轨道梁、横梁、纵梁、面板整体现浇。

码头结构断面如图1所示。

2 建模分析

2.1 有限元模型

在传统的高桩码头结构受力分析中，通常将码头简化为横向平面排架、纵向连续梁按平面计算，这往往会对水流力作用考虑得不够充分，造成码头桩基、柱、横向联系梁等设计时考虑不周全，在使用期出现较大纵向位移，影响码头的安全使用和寿命。因此，利用软件建立三维有限单元模型对水流力作用下的高桩码头进行研究，有一定的现实意义。

本项目采用有限元软件Midas Civil进行三维建模分析。码头横向长度为34.9 m，纵向取其中一个结构段进行分析，即纵向长度为36.0 m。码头为全直桩结构，桩与梁连接均为固结。建模时，码头横向对应软件全局坐标系X向，纵向对应Y向，竖向对应Z向。

码头按空间结构模型计算内力时，以计算桩的内力为目的时，面板可按薄壳单元考虑，纵梁、横梁及桩均可按梁单元考虑[3]。码头桩基、柱、纵横梁、轨道梁等采用梁单元，面板采用板单元。

项目所在地基岩埋藏较浅，桩底按嵌岩桩考虑。在水平力作用下，覆盖层考虑地基土的侧向约束作用，计算方法按m法处理。在Midas Civil软件中以节点弹性支撑模拟。

模型建立如图2所示。

2.2 荷载情况

本文主要探讨纵向水流力作用下的作用效应，码头纵向考虑水流力作用。

码头横向受船舶撞击力、系缆力、挤靠力等影响。本项目中，撞击力最大且最具代表性。为了与纵向效应对比，本次计算考虑撞击力作用下的横向效应。

竖向荷载主要为结构恒载。

2.2.1 恒载

恒载主要为建筑物自身重力和位于建筑物上固定设备的重力。其中，建筑物自身重力由软件根据结构考虑，固定设备重力根据设备实际情况施加荷载。

2.2.2 撞擊力

本码头按可靠泊1 000吨级船舶设计，故撞击能量计算时，船舶取1 000吨级船舶，船舶靠岸法向靠船速度取0.3 m/s，算得船舶撞击能量为56.88 kJ，选用SA（DA-A）400H标准反力型橡胶护舷，撞击力查得为413 kN。

2.2.3 水流力

作用于港口工程结构上的水流力标准值应按下式计算[4]：

F w=C wρ2V2A（1）

式中：

F w——水流力标准值（kN）;

C w——水流阻力系数;

ρ——水密度（t/m3），淡水取1.0，海水取1.025;

V——水流设计流速（m/s）;

A——计算构件在与流向垂直平面上的投影面积（m2）。

其中设计流速可采用港口工程结构所处范围内可能出现的最大平均流速，也可根据相应表面流速推算。本工程水流设计流速在设计高水位时取3.0 m/s。

从水流力计算公式可看出，影响水流力大小的主要因素为水流阻力系数、流速及构件在与流向垂直平面上的投影面积。其中设计流速是水文条件决定的，不可改变。在结构设计时，应从改变水流阻力系数和构件在与流向垂直平面上的投影面积这两个因素出发，尽量减少水流力对结构的影响。

水流阻力系数与构件的形状相关。以墩柱为例，正方形墩柱水流阻力系数为1.50，圆形水流阻力系数为0.73，圆形水流阻力系数不到正方形的一半，构件在同样条件下受到的水流力相应减小一半有余。可见，在设计时合理选用构件截面，对减少水流力有很大贡献。水流阻力系数还应根据遮流影响系数、淹没深度影响系数、水深影响系数、横向影响系数等进行修正。

本码头顺岸布置，构件与流向垂直。考虑各系数修正后主要构件在设计高水位时受到的水流力如表1所示。

2.3 结果分析

结果分析主要分为内力结果分析及位移结果分析。通过计算船舶撞击力下码头横向受力位移情况及水流力下码头纵向受力位移情况，做出对比分析。由于篇幅有限，本次分析仅取桩基作为分析对象。

桩基内力、位移计算结果见表2～3。

桩基弯矩在仅考虑横向作用及同时考虑横、纵向作用下的对比如表4所示。

表2～4结果表明，桩基础在水流力作用下的纵向内力、位移远比仅考虑船舶横向撞击力作用下的内力、位移要大。在本项目水文条件下，如果仅按平面横向排架计算横向效应，不考虑纵向作用，计算结果会与实际情况相差很大。所以，在高桩码头设计中，尤其在山区河流高桩码头设计中，应特别重视水流力对码头的作用，在极端情况下，水流力甚至是码头设计的控制荷载。

3 问题建议

目前，广西区内建成的部分高桩板梁式码头有一个特点：为了增加码头横向刚度，同时为了兼顾船舶靠岸，前沿立柱通常截面做得很大。这会使得结构迎水面随之增大，在水流平缓地区对结构安全影响不大，可采用结构措施解决安全问题，而在山区河流区域，则需谨慎对待。笔者建议应优化结构，采用如框架式靠船构件，以减小水流力对结构的不利影响。

4 结语

（1）在山区河流中建设高桩码头，基于山区河流水位变动大、水位差大、水流速度大等特点，在设计时，除

考虑常规的荷载外，必须重视水流力的不利作用。尤其在洪水期，水流湍急，部分码头甚至被淹没，在设计时必须考虑这种极端情况下的结构安全。

（2）山区河流高桩码头设计时，应尽量优化构件断面，减小构件迎水面积;使用阻水系数小的构件（如采用圆柱取代方柱），以減小水流力对码头的不利影响。

（3）在高桩码头结构计算中，相比于常规按纵向、横向两个平面计算的方法，三维有限元软件建模计算更具优势，且计算结果可靠，笔者认为值得予以推广使用。

参考文献：

[1]韩理安.港口水工建筑物（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]葛俊颖.桥梁工程软件 Midas Civil使用指南[M]北京：人民交通出版社，2013.

[3]JTS167-2018，码头结构设计规范[S].

[4]JTS 144-1-2010，港口工程荷载规范[S].