考虑相邻结构段作用的高桩码头设计方法

汤子扬，樊亮亮，邹建强

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

由于热胀冷缩效应和结构段间水平错位，高桩码头设计通常以凹凸缝的形式沿岸线方向分为若干个结构段[1-4]。常规高桩码头有限元计算时不考虑凹凸缝传力作用，而仅作为一种构造要求，桩内力计算时一般取单个结构段进行线性计算，计算结果较为保守[5]。

本文通过建立非线性有限元模型，真实模拟实际多个结构段共同作用下的作用效益，并计算出不同数目结构段下的结构整体的侧向刚度，对比分析多个结构段的实际整体刚度与单个结构段线性侧向刚度的关系，得出相邻结构段对于单个结构段作用的等效水平线刚度。通过对比多个结构段整体受力和单个结构段独立受力的受力状态，得出一种通过使用等效水平线刚度来考虑相邻结构段作用的优化设计方法。

常规的结构设计人员难以建立大型的非线性有限元进行结构分析，通过使用该等效水平线刚度来进行结构线性分析，为优化设计计算提供很大的便利，也使得国内设计院在国际上的技术投标更具有竞争力。

1 模型建立与分析

1.1 工程概况

本工程码头采用梁板式结构，码头顶面高程7.5 m、前沿底高程-11.0 m，码头总长595 m，分为5个119 m长的结构段。排架间距8 m，标准排架有7根桩，桩型为PHC 1000 B型桩。高桩码头在码头两边进行了加密桩设置，码头典型断面见图1。

图1 码头典型断面(高程：m；尺寸：mm)

1.2 建模思路与步骤

整个建模思路见图2，通过对比实际凹凸缝单元、单个结构段加载弹簧单元和单个结构段不加载3种模式下桩内力计算结果，给出一种引入线性弹簧单元的高桩结构内力计算方法。

图2 模型构建思路

1.2.1建立多结构段高桩结构整体模型

基于SAP2000三维有限元计算软件，建立具有实际凹凸缝的2～5个结构段的4个非线性模型，为使结果具有对比性，分别提取同1根桩的内力极值进行对比。模型采用非线性缝单元模拟凹凸缝结构(图3)，该结构单元只承受压力、不承受拉力。该结构缝单元的弹簧刚度参考实际结构缝橡胶垫板的刚度，根据蔡文峰的[6]橡胶垫板研究，缝单元的线刚度取100 kN/mm。

图3 结构凹凸缝单元设置

1.2.2单个或者多个结构段的等效侧向弹簧刚度的计算

结构段的水平作用力可通过凹凸缝传递到相邻结构段，这种传递作用可以等效成一定侧向线刚度的弹簧，模拟步骤参考刘洋[7]凹凸缝水平力传递研究。首先选取单个119 m的结构段，在结构段侧边前沿点处分别加载F1=500 kN、F2=1 000 kN、F3=1 500 kN共3个水平力，得到对应的位移x1、x2、x3；根据刚度计算原理K=F/x，得到3个刚度值，取3个数值的平均值作为单个结构段的等效侧向弹簧的刚度。经过计算可知，该单个结构段的等效侧向弹簧的刚度为82.648 MN/m。多个结构段的等效侧向弹簧的刚度计算方法同单个结构段，计算出2、3、4、5个结构段整体受力时的实际等效侧向刚度为98.351、100.830、10.890、100.960 MN/m。

根据多个结构段整体受力的等效侧向刚度和单个结构段等效侧向刚度的计算结果可知，当结构段超过2段时，整体结构的侧向弹簧刚度K基本不变，约为单个结构段等效侧向弹簧刚度K0的1.2倍。多个结构段水平向的等效刚度见图4。

图4 多个结构段水平向的等效刚度K随结构段数量的变化

1.2.3单个结构段内力计算模型

传统高桩码头内力计算时，只选取一个标准结构段进行计算而不考虑相邻结构段的约束作用，因此该模型选取119 m长的结构段，基于SAP2000进行整体建模，桩和梁采用梁单元、面板采用壳单元，梁、桩、板之间刚性连接，不考虑凹凸缝水平约束作用，模型见图5。

图5 单个结构段的高桩结构模型

2 模型结构对比

为便于精准分析研究桩内力结果，本文对桩进行分组对比，分别对比指定的3个桩(桩1、2、3)的内力值和所有桩的内力极值。用于模型计算荷载组合为永久荷载+撞击力+均载+波浪力。

2.1 验证等效侧向弹簧的等效性

建立完整的多个结构段的非线性整体模型和单个结构段分别施加不同数量结构段影响下的等效侧向弹簧模型，对比桩内力计算结果，来判断单个结构段施加等效侧向弹簧是否真的等效。根据计算结果可知，桩弯矩误差在7.5%以内，剪力误差在7%以内，扭矩误差在7.7%以内，轴力在4%以内，位移在6.1%以内，结果见表1～4。根据计算结果可知，该等效侧向弹簧法的模拟效果较为理想，为更加准确、快捷地计算高桩结构桩内力提供了很好的参考方法。

表1 2个结构段时桩内力计算结果

表2 3个结构段时桩内力计算结果

表3 4个结构段时桩内力计算结果

表4 5个结构段时桩内力计算结果

2.2 等效侧向弹簧法的优化性论证

2.1节已经验证了在单个结构段边缘侧向施加等效侧向弹簧可以真实模拟实际结构的受力状态。因此本节量化对比单个结构段的设计计算时，考虑侧向等效弹簧和不考虑情况下，结构的内力对比分析结果见表5～8。从结果中可知，考虑侧向等效弹簧后，桩内力除了轴力基本不变以外，弯矩、剪力、扭矩、位移都减少40%以上，并且随着结构段数增加而增加，这主要是线性弹簧单元刚度值变大引起。

表5 2个结构段时桩内力计算结果

表6 3个结构段时桩内力计算结果

表7 4个结构段时桩内力计算结果

表8 5个结构段时桩内力计算结果

3 结语

1)引入等效侧向线性弹簧单元模拟凹凸缝水平传力作用有效可行，计算结果误差较小。

2)当结构段数量超过2个时，码头多个结构段整体的等效侧向弹簧的刚度为1.2倍的单个结构段的弹簧刚度值。建议在实际使用时可以保守地取单个结构段的弹簧刚度进行设计计算。

3)通过内力对比，引入线性弹簧单元计算桩内力的设计方法相比于传统独立结构段的计算模式更加优化合理。但需要注意的是，对于边排架两端无其他结构段约束时，需要在端部加密桩间距。

4)基于传统高桩码头结构设计，考虑码头分段间凹凸缝结构传力作用，引入等效侧向弹性用于高桩码头结构设计计算，为高桩码头优化提供参考借鉴。