不同基桩布置型式的横向排架受力研究

赵 军

(交通运输部天津水运工程科学研究所 天津水运工程勘察设计院有限公司,天津 300456)

高桩码头作为三大码头结构形式之一,广泛应用于软土地基[1]。桩基与上部结构组成横向排架,是高桩码头的主要受力单元[2-3]。桩基布置不仅影响整个码头结构的受力和造价,还影响施工[4-5]。高桩码头结构设计时,横向排架桩基的布置型式合理与否成为了码头工程的核心问题[6-7]。

本文以单个横向排架为计算单元,采用假想嵌固点法,利用Midas Civil 2013建立有限元模型[8-9],通过对全直桩桩基排架、叉桩桩基排架及扇形桩基排架在相同受力条件下内力分布情况进行比较分析研究,提出不同桩基布置型式横向排架的适用工况,为码头结构设计提供参考。

1 研究方案及模型建立

1.1 研究方案

横向排架作为高桩码头的主要受力单元,影响其内力分布的因素较多[10-12],包括排架结构自身的桩基布置型式、排架所受外部荷载及排架工程区域土基的性质等[13]。本文采用假想嵌固点法,利用Midas Civil 2013建立有限元模型,将桩基桩尖处设置为固结,忽略土基对排架内力分布的影响,通过对不同桩基布置型式的排架结构分别施加相同的水平向荷载及竖向荷载[14-16],进而分析排架的内力分布情况。

1.2 模型建立

采用Midas Civil 2013软件建立全直桩桩基横向排架、叉桩桩基横向排架及扇形桩基横向排架等3个有限元模型(见图1)[17-18]。全直桩桩基横向排架,横梁主尺度为13 m×1.5 m×2 m(长×宽×高),桩基采用6根φ800 mm全直钢管桩,单桩桩长10 m;叉桩桩基横向排架,横梁主尺度为13 m×1.5 m×2 m(长×宽×高),桩基采用3对φ800 mm钢管叉桩,单桩桩长10 m,桩基斜度4∶1,平面扭角15°;扇形桩基横向排架,横梁主尺度为13 m×1.5 m×2 m(长×宽×高),桩基采用6根φ800 mm钢管斜桩,单桩桩长10 m,桩基斜度4∶1。

1.3 计算工况

为了研究不同桩基布置型式横向排架在外荷载作用下的内力分布状况[19-21],根据外荷载的实际情况,设置水平荷载研究工况和竖向荷载研究工况两种计算工况。

水平荷载研究工况：分别在三种横向排架模型的横梁截面形心处施加500 kN轴向水平压力,分析研究三种模型横梁及桩基构件的内力分布情况。

竖向荷载研究工况：分别在三种横向排架模型的横梁顶部施加20 kN/m的竖向线性均布压力荷载,分析研究三种模型横梁及桩基构件的内力分布情况。

2 计算结果

2.1 水平荷载研究工况

2.1.1 排架弯矩计算结果

图2为三种不同桩基布置型式的横向排架,在水平荷载500 kN作用下各构件的弯矩分布情况。图2中显示,三种排架桩基弯矩分布趋势一致,由于桩基布置的不同,桩基对横梁的约束情况不一,引起横梁弯矩分布各不相同。全直桩桩基横向排架以横梁长度方向中点为分界线,靠近受力侧横梁下侧受拉,远离受力侧横梁顶部受拉,弯矩在相邻桩间按三角形分布;叉桩桩基横向排架横梁弯矩受叉桩布置的影响,弯矩分布在一对叉桩间从正弯矩过渡到负弯矩;扇形桩基横向排架以横梁长度方向中点为分界线,靠近受力侧横梁下侧受拉,远离受力侧横梁顶部受拉,弯矩整体以三角函数型式分布。

表1统计了三种不同桩基布置形式的横向排架,在水平荷载500 kN作用下各构件的弯矩极值情况。表1中显示,在相同水平荷载作用条件下,全直桩桩基横向排架桩基所受弯矩最大,叉桩桩基横向排架横梁及桩基所受弯矩均为最小值,扇形桩基横向排架横梁所受弯矩最大。

2.1.2 桩基轴力计算结果

图3为三种不同桩基布置型式的横向排架,在水平荷载500 kN作用下桩基轴力分布图。图3中显示,三种排架由于桩基布置的不同,桩基的轴力分布各不相同。全直桩桩基横向排架受力侧桩基轴向拉力最大,非受力侧桩基轴向压力最大,从受力侧向非受力侧排架桩基轴力由受拉逐渐过渡为受压;叉桩桩基横向排架桩基轴力分布以一对叉桩为单位保持一致,叉桩靠近受力侧斜桩受拉,远离受力侧斜桩受压;扇形桩基横向排架桩基轴力分布以横梁长度方向中点为分界线,靠近受力侧桩基受力受拉,远离受力侧桩基受压,而且靠近中心处桩基轴力最大,远离中心方向轴力逐渐减小。

表2统计了三种不同桩基布置型式的横向排架,在水平荷载500 kN作用下桩基轴力的极值情况。表2中显示,在相同水平荷载作用条件下,全直桩桩基横向排架桩基所受轴力最小,叉桩桩基横向排架桩基所受轴力次之,扇形桩基横向排架桩基所受轴力最大。

表2 桩基轴力统计表 kN

2.2 竖向荷载研究工况

2.2.1 排架弯矩计算结果

图4为三种不同桩基布置型式的横向排架,在竖向线荷载20 kN/m的作用下各构件的弯矩分布情况。图4中显示,在相同竖向荷载作用下,横向排架的桩基布置形式对各自桩基所受的弯矩影响较小,由于桩基布置的不同,各排架横梁所受的弯矩分布有所不同。全直桩桩基横向排架与扇形桩基横向排架对横梁的约束点相同,故横梁弯矩分布相同。叉桩桩基横向排架由于桩基布置的特殊性,横梁弯矩分布呈现两个弯矩最大点。

表3统计了三种不同桩基布置形式的横向排架,在竖向线荷载20 kN/m的作用下各构件的弯矩极值情况。表3中显示,在相同竖向荷载作用下,横向排架各构件所受弯矩受桩基布置型式的影响较小,各模型的横梁及桩基所受弯矩基本相同。

表3 横向排架弯矩统计表 kN·m

2.2.2 桩基轴力计算结果

图5为三种不同桩基布置型式的横向排架,在竖向线荷载20 kN/m的作用下桩基轴力分布图。图5中显示,三种排架桩基轴力分布均匀,各桩基所受轴力保持一致。

表4统计了三种不同桩基布置型式的横向排架,在竖向线荷载20 kN/m的作用下桩基轴力的极值情况。表4中显示,在相同竖向荷载作用条件下,三种桩基布置型式横向排架桩基所受轴力基本相同,由于叉桩桩基横向排架桩基及扇形桩基横向排架桩基斜率的影响,桩基所受轴力略有不同。

表4 桩基轴力统计表 kN

3 结语

作为高桩码头的主要受力单元,通过对三种不同桩基布置型式的横向排架分别施加水平荷载及竖向荷载,从横向排架受力的角度分析得出以下结论：

1)三种桩基布置型式横向排架内力分布受水平荷载影响因素较大,当码头所受水平荷载为主导因素时,需考虑排架的桩基布置型式。

2)由叉桩桩基横向排架组成的高桩码头适用性较强,由于桩基及横梁所受弯矩较小,地基承载能力较强的工程场地,可以适当减小桩基及上部构件的截面尺寸,达到节约成本的目的。

3)由全直桩桩基横向排架组成的高桩码头由于桩基轴力最小,适用地基承载能力较低的工程场地,通过适当的增加桩基及上部结构的截面尺寸,可以确保码头的安全性。