基于ABAQUS 的半遮帘式板桩码头有限元分析

何英发，顾 茜，周 超

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

板桩码头是码头的主要结构形式之一， 主要由板桩墙、拉杆、锚碇结构、胸墙（或帽梁和导梁）及码头设备组成， 通过板桩墙和锚碇设施承受地面使用荷载和墙后填土产生的侧压力。 板桩码头具有结构简单、用料少、施工简便迅速、对复杂地质条件适应性较强等特点， 被广泛应用于码头建设中［1］。

板桩码头前板桩墙内力对前沿港池泥面高程和后方的堆载情况非常敏感，港池浚深后，前板桩墙的弯矩及位移将大幅增加，危及码头的安全。为解决板桩墙难以满足深水码头大弯矩要求的问题， 国内板桩码头改造工程主要采用全遮帘式板桩结构或半遮帘式板桩结构［2－4］。 其中，半遮帘式板桩结构通过设置嵌固在地基中的遮帘结构， 利用遮帘桩对土压力的遮帘作用（土拱作用），减少作用于前墙的土压力，使原结构前墙的弯矩、位移和拉杆的拉力减少。半遮帘式结构可不用拆除已建码头面层以上的构筑物，从而最大幅度地节省投资、 缩短工期及减少对生产的影响。对于升级幅度不大的工程，采用半遮帘式板桩结构是首选方案。 一些学者对改造后的半遮帘式板桩码头的受力情况进行研究［5－6］。由于板桩码头受力复杂， 一般的计算方法难以准确地模拟其真实受力状态， 而有限元软件由于具有强大的计算功能和方便的结果处理功能， 可以准确地模拟结构的受力和相互作用，分析各部分受力情况。笔者通过有限元软件ABAQUS，建立有限元模型，对半遮帘式板桩码头的受力状态进行分析， 以期对实际工程建设提供参考。

1 工程概况

1.1 码头概况

某码头为单锚板桩码头， 板桩及锚碇墙厚均为1 m，材料参数相同，钢拉杆直径为80 mm。码头顶面高程为4.0 m，板桩墙底高程为－21.0 m，锚碇墙顶高程为2.0 m，底高程为－10.0 m，锚碇点高程为1.0 m，码头前沿泥面高程为－11.0 m，正常设计水位为－1.0 m。现需要将该码头前沿泥面高程由－11.0 m 浚深至－13.0 m， 板桩墙后前15 m 堆载由20 kN／m2变为30 kN／m2，后17 m 堆载由50 kN／m2变为80 kN／m2。

1.2 码头改造方案

为了解决板桩墙难以满足深水码头大弯矩要求的问题，需对该码头进行改造。改造工程采用设置半遮帘桩的方案。 遮帘桩顶部高程为－5.0 m， 底高程为－27.0 m，厚度为1.0 m，宽度为3.0 m，遮帘桩与板桩墙之间的距离为3 m。 具体如图1 所示。

图1 半遮帘式板桩码头示意图Fig.1 Schematic diagram of half-covered sheet-pile wharf

1.3 工程场地土层资料

本码头工程场地土层资料如表1 所示。

2 有限元模型的建立

本文应用有限元软件ABAQUS 分别对设置半遮帘桩（方案1）和不采取改造措施（方案2）建立有限元模型。 建模时，考虑1.0 m 的剩余水头。 由于二维模型相对于三维模型具有建模简便、计算速度快、计算代价小的特点，所以本文也建立二维模型，分析二维有限元模型相对于三维模型的精度。

土层名称 深度范围/m 弹性模量/MPa 重度/kN/m3 内摩擦角/（°） 黏聚力/kPa 泊松比回填粉细沙 4.0～0.0 26.0 18.0 32 0 0.29粉细沙 0.0～-5.0 26.0 18.0 28 0 0.29粉质黏土 -5.0～-15.0 8.5 19.0 23 18 0.03细沙 -15.0～-26.0 26.0 19.7 31 0 0.29粉质黏土 -26.0～-29.0 9.0 19.7 25 31 0.30细沙 -29.0～ 26.0 19.7 32 0 0.30

2.1 三维模型

纵向取2 个拉杆（间距为4 m），板桩、锚碇墙、遮帘桩、土体均采用实体单元模拟，拉杆采用杆单元模拟。为模拟码头真实应力情况，板桩墙、锚碇墙、遮帘桩与土体之间设置接触模拟，摩擦系数μ 为0.32。板桩墙、锚碇墙、遮帘桩均采用弹性模型，材料属性采用混凝土材料参数， 弹性模量E 为2.8×107kPa，泊松比v 为0.18，重度γ 为25 kN／m3。 拉杆采用弹性模型，材料属性采用钢材材料参数，弹性模量E 为2×108kPa，泊松比v 为0.2，重度γ 为78.5 kN／m3。土体采用弹塑性模型Mohr－Coulomb 模型， 所取参数为表1 所示的参数。

本文建立的2 种方案的三维模型如图2 和图3所示。

2.2 二维模型

本文建立的2 种方案的二维模型如图4 和图5所示。对于二维模型中遮帘桩及拉杆的模拟，需基于刚度相同的原则，对遮帘桩及拉杆进行折减。折减后的拉杆面积为原拉杆面积除以拉杆间距， 遮帘桩宽度由式（1）计算［7］。

图4 方案1 二维模型Fig.4 2D model of scheme one

图5 方案2 二维模型Fig.5 2D model of scheme two

式中：b1为遮帘桩实际净间距；h1为遮帘桩宽度。

3 结果分析

3.1 前板桩墙主动土压力分析

采用有限元法和理论计算方法计算的板桩墙后土压力如图6 所示。

由图6 可知，不采取改造措施时，板桩墙后的土压力与郎肯主动土压力的大小及趋势基本一致。 这证明了有限元模型的可靠性。设置半遮帘桩后，在遮帘桩范围内，由于遮帘桩的遮挡作用，板桩墙后的土压力具有明显下降趋势。

图7 为不同高程遮帘桩中间轴线土体相对于该高程板桩墙水平位移的差值 （土体位移－板桩位移）。由图7 可以看出，在遮帘桩附近，遮帘桩间土体的水平位移相比前板桩水平位移具有明显减小的趋势。这说明，在遮帘桩位置处形成了土拱效应。 位移差值在竖向分布上呈现遮帘桩上部及下部小， 而中部开挖泥面处大的特点。 这说明， 在开挖泥面部位处，土拱效应最明显。

对于遮帘桩与前板桩墙之间的土体， 其水平位移均小于前板桩墙位置， 遮帘桩与前板桩墙之间的距离呈扩大的状态， 因此对于半遮帘式板桩码头， 采用平行墙理论计算方法计算前板桩墙的土压力是可行的［8］。由于遮帘桩与前板桩墙之间的距离是扩大的状态，计算时，应将平行墙理论中的静止土压力系数替换为主动土压力系数。 将静止土压力系数替换为主动土压力系数后， 应用平行墙理论和三维有限元计算结果如图8 所示。由图8可知， 将静止土压力系数替换为主动土压力系数后， 平行墙理论公式可较为准确地模拟半遮帘桩的土压力分布。

3.2 前板桩墙内力分析

图9 为板桩墙墙身弯矩图。由图9 可以看出，用三维模型计算的方案1 的板桩墙身最大负弯矩为－1 370 kN·m／m， 仅比改造前板桩墙的最大负弯矩－1 290 kN·m／m 大80 kN·m／m， 方案2 的桩身最大负弯矩为－1 950 kN·m／m。 与方案2 相比，方案1有效地减少了板桩墙墙身弯矩和板桩墙水平位移。用二维模型计算的板桩墙墙身弯矩比三维模型计算的大， 但相差幅度在5%以内， 且二者变化趋势一致。 由此可知，对于分析前板桩墙的弯矩，二维模型的计算精度已足够。

4 结语

通过分析，得出以下结论：（1）由于遮帘桩的遮帘作用及遮帘桩间的土拱作用，半遮帘式板桩码头较大幅度地减小了作用在板桩墙上的土压力，以此满足深水板桩码头的内力要求。 （2）遮帘桩间的土拱作用在竖向分布上有上下小、中间大的特点，前板桩墙与遮帘桩之间的距离在遮帘桩范围内均呈扩大趋势。 （3）前板桩墙在遮帘桩范围内的土压力，可根据平行墙理论计算，但应将其中的静止土压力系数调整为主动土压力系数。（4）对于半遮帘式板桩码头的内力计算，二维模型与三维模型计算精度的差在5%之内。所以，应用二维模型进行内力计算，可以满足要求。