高樁碼頭叉樁修復(fù)及加固技術(shù)研究

張 強(qiáng) ，熊洪峰 ，2，劉現(xiàn)鵬

（1.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；2.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001）

隨著我國船舶運(yùn)量不斷快速增長，碼頭的升級改造成為提高港口吞吐量的重要手段之一。碼頭的升級改造需重點(diǎn)考慮2個問題：超過原設(shè)計船型的船只停靠及停泊；前后承臺及后方堆場堆載的急劇增加。后者主要使碼頭的豎向荷載增加，而?？砍^原設(shè)計船型的船舶需要對碼頭前沿進(jìn)行浚深，且由于船舶的大型化會使碼頭結(jié)構(gòu)承受的水平力（撞擊力、系纜力）增加，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)受力破壞。根據(jù)天津港近2 a的檢測［1］發(fā)現(xiàn)，泊位升級后由于上述原因?qū)е麓蠖鄶?shù)叉樁出現(xiàn)破損斷裂現(xiàn)象，并且有遞增的趨勢。高樁碼頭的水平承載力主要由叉樁承受，因此亟需對叉樁進(jìn)行修復(fù)及加固處理。

本文通過有限單元法［2］建立樁土相互摩擦的高樁碼頭結(jié)構(gòu)，對其叉樁加固方案進(jìn)行仿真計算，得到不同加固條件下的受力規(guī)律，由此推薦加固方案和最優(yōu)加固尺寸。

1 工程概況

某高樁碼頭的碼頭面高程為5.8 m，碼頭前沿設(shè)計泥面高程-10.0 m。該碼頭為高樁梁板式碼頭，排架間距為7 m，承臺寬度為13.8 m，一對叉樁三直樁排架，直樁為55 cm×55 cm。叉樁為50 cm×50 cm空心樁，面板厚度為48 cm，叉樁水平轉(zhuǎn)角為22°。

2 模型的建立

2.1 模型的簡化

在進(jìn)行樁—岸坡體系相互作用及碼頭上部結(jié)構(gòu)的受力分析時，若取整個結(jié)構(gòu)段為計算范圍，計算量非常大，目前的個人PC平臺無法完成。因此需要在模型中簡化。若取單排樁基單位寬度為計算范圍，其計算量將可以大大減少，李越松［3］通過建立2個不同寬度的樁—岸坡體系模型，其中一個寬度為7.0 m（單列樁基等效寬度）的單樁模型，另一個為28 m（4排架的長度）的四樁模型，計算分析得到不同范圍的模型計算結(jié)果非常接近，誤差范圍不到1%。所以本工程選取單排架進(jìn)行樁體受力分析。

2.2 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文采用ANSYS有限元軟件建立高樁碼頭與土相互作用的實(shí)體三維數(shù)值模型［4］，全部實(shí)體采用Solid45單元離散［5］，采用面-面接觸單元［6］模擬樁土接觸［7］。有限元模型見圖1，前承臺有限元模型見圖2。

2.3 最不利工況

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTJ215-98）［8］并結(jié)合現(xiàn)場觀測，計算得到作用于單個排架下的最大船舶撞擊力為183.2 kN，最大系纜力沿碼頭橫向的分力為-126 kN；根據(jù)資料選取碼頭前沿最大浚深為-11 m，根據(jù)《天津港2009年秋季檢查報告》［1］測得的岸坡形式計算回淤量；后承臺及后方堆場的最大豎向荷載采用50 kN/m2。劉現(xiàn)鵬等［1］認(rèn)為在工況撞擊力最大（183.2 kN）、豎向荷載最大（50 kN/m2）以及回淤量和浚深最大下，向岸斜樁將承受很大的彎矩而使正截面出現(xiàn)偏心受壓、受拉破壞。故本文采用此最不利工況作為計算荷載。

2.4 叉樁破損規(guī)律

根據(jù)各不利工況下叉樁樁頂?shù)氖芰η闆r，并結(jié)合鋼筋混凝土等效構(gòu)件對樁體承載力進(jìn)行驗(yàn)算得到以下規(guī)律：樁體在不利工況下，受力荷載最危險位置均在樁頂，這與現(xiàn)場檢測結(jié)果（叉樁斷裂部位均出現(xiàn)在距樁帽底0.5 m范圍以內(nèi)）一致；向岸斜樁在最不利工況下會出現(xiàn)受拉、受壓破壞，而向海斜樁在最不利工況下不會出現(xiàn)破損，但在向岸斜樁斷裂后，向海斜樁在最不利工況下會出現(xiàn)受拉破損，這也體現(xiàn)了向岸斜樁的斷裂數(shù)量明顯大于向海斜樁的現(xiàn)場統(tǒng)計結(jié)果。

所以向海斜樁只需進(jìn)行修復(fù)處理，而向岸斜樁需立即進(jìn)行加固。

3 叉樁修復(fù)加固方案

劉現(xiàn)鵬等［1］認(rèn)為：影響叉樁破損的最主要原因是水平力（撞擊力及系纜力），其次是后承臺及后方堆場豎向荷載。所以改善叉樁受力的主要措施可以分為兩大類：減小水平力荷載及減小水平力對單排架的作用力；減小后承臺及后方堆場荷載對樁體的作用。第一類措施的常用方法包括減小靠泊速度法、更換護(hù)舷法、增設(shè)鋼管靠船樁法、補(bǔ)打叉樁法、局部加固法等；第二類措施的常用方法包括增設(shè)地下連續(xù)墻法、增設(shè)替代鋼板樁法以及后方堆場灌注樁形成低樁承臺結(jié)構(gòu)等。

上述第二類措施改善的是引起叉樁破損的第二因素，其工程造價很高；減小撞擊力最直接的方法就是減小靠泊速度，由于船舶慣性很大，速度很難控制在較小界定范圍內(nèi)，所以利用此法無法保證較高的安全概率。綜合考慮水位變動區(qū)惡劣的海洋環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性、施工可行性和合理性，本文選用局部加固法對樁體進(jìn)行加固研究。

根據(jù)工程具體特點(diǎn)、預(yù)期加固效果等因素，提出加大樁帽法和局部外包樁體法2種加固方案。本文通過建立這2種方法的ANSYS有限元模型進(jìn)行數(shù)值計算，并結(jié)合施工可行性和經(jīng)濟(jì)因素推薦最優(yōu)方案。

3.1 加大樁帽法

加大樁帽法通過加寬、加大樁帽，包裹樁體破損部位而使其得到修復(fù)，由圖3可知，向岸斜樁樁頂附近的不利彎矩從上到下有減小的趨勢。加大樁帽法的三維示意圖見圖4。

加大樁帽高度為0.6 m、1 m、2 m、4 m時，對向岸斜樁最不利工況下高樁碼頭的受力情況進(jìn)行數(shù)值仿真計算，處理得到向岸斜樁新樁頂（原樁體與新樁帽底交界面下10 cm處的正截面）的受力情況（表1）；樁體受力坐標(biāo)圖見圖5。

表1 向岸斜樁新樁頂受力Tab.1 Force of new onshore inclined pile

由表1可知：隨著樁帽高度的加大（即新樁頂高程下移），向岸斜樁新樁頂?shù)腗X較未加大樁帽前樁頂（高程12.18 m）的MX有減小的趨勢；MZ基本上沒有較大變化；FX呈現(xiàn)出增大趨勢；FY逐漸減?。▔毫υ絹碓酱螅籉Z減?。ǔ狈较蛟龃蟀l(fā)展）。叉樁破損是由于在彎矩作用下發(fā)生的受拉受壓破損，雖隨著樁帽的高度加大，F(xiàn)Y逐漸減小，但是其對正截面應(yīng)力的改變量較小，再加上其彎矩MX、MZ的絕對值即使加固到4 m都沒有明顯的減少（較原樁頂少了27 265 N·m，減少了7.9%），可知加大樁帽法對向岸斜樁的加固并沒有明顯效果，只能起到修復(fù)作用。

同理得到向海斜樁的加固效果數(shù)據(jù)，通過分析得到了和向岸斜樁相同的結(jié)論：在一定范圍內(nèi)實(shí)行加大樁帽法加固叉樁，叉樁樁頂?shù)膹澗刂禃S著加固體高度的加大而下移（即新樁頂?shù)膹澗嘏c原樁頂彎矩相當(dāng)）。所以加大樁帽法不會產(chǎn)生加固效果，只對樁體起到修復(fù)作用。

3.2 局部外包樁體法

通過對叉樁樁體受力不利位置的局部外包，能加大其本身的結(jié)構(gòu)抗力，進(jìn)而保證樁體安全。由前面的分析可知：在向岸斜樁未破損的狀態(tài)下，向海斜樁在最不利情況下不會破損，所以只需對其破損位置進(jìn)行小范圍的外包即可，可減小工程量。局部外包樁體法的三維示意圖見圖6。其中樁帽寬度及長度根據(jù)樁體外包寬度進(jìn)行計算后加大。

3.2.1 外包寬度與樁體受力規(guī)律

為了弄清樁體在外包不同寬度下的受力情況，分別對向岸斜樁體外包,其寬度分別為0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m時，向海斜樁外包寬度為0.8 m（原樁體寬度均為0.5 m），長度為0.6 m，向岸斜樁外包長度為1.0 m時，在向岸斜樁最不利工況下高樁碼頭的受力情況進(jìn)行數(shù)值仿真計算，并通過處理得到向岸斜樁樁頂及外包結(jié)束點(diǎn)的受力情況（表2）。

表2 外包不同寬度下向岸斜樁樁體受力Tab.2 Force of onshore inclined pile under different reinforcement widths

由表2可知：隨著外包寬度的加大，向岸斜樁原樁頂及外包結(jié)束高程處所承受的彎矩絕對值逐漸增大，樁頂?shù)腇Y有較小的增大趨勢，樁頂?shù)募羟辛X、FZ呈絕對值減小趨勢。外包后樁頂?shù)膹澗丶凹羟辛焕较虬l(fā)展，F(xiàn)Y值變化不大。

同理通過對向海斜樁數(shù)據(jù)的分析，得到向岸斜樁外包寬度的加大對向海斜樁在樁頂位置的受力以及在外包結(jié)束高程位置的受力情況基本沒有影響。向海斜樁自身外包由0.5 m加大到0.8 m后，其樁頂各受力的絕對值都在增大（即朝著不利的方向發(fā)展），在外包結(jié)束點(diǎn)承受的彎矩與未外包下樁頂?shù)膹澗叵嘟m剪切力和軸心壓力有一定變化，但變化較小，對應(yīng)力狀態(tài)影響較小，可以認(rèn)為外包結(jié)束點(diǎn)受力是安全的；樁頂?shù)氖芰﹄m朝著不利方向發(fā)展，但是其外包的截面足以抵抗增加的應(yīng)力狀態(tài)，固認(rèn)為安全。

由上述分析可知：在能保證樁體受力安全的情況下，應(yīng)盡量采用較小的外包寬度來進(jìn)行加固；由于樁體破損位置不能再承受外力，結(jié)合水工耐久性及鋼筋配置等因素，取外包后樁體寬度為0.8 m。

3.2.2 外包長度與樁體受力規(guī)律

外包加固后樁體寬度為0.8 m，為了弄清樁體在外包不同長度下的受力情況，分別對向岸斜樁樁體外包不同長度（0.6 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、3.0 m、4.0 m），向海斜樁外包長度0.6 m下，向海斜樁和向岸斜樁外包寬度均為0.8 m（原樁體寬度均為0.5 m）時，在向岸斜樁最不利工況下高樁碼頭的受力情況進(jìn)行了數(shù)值仿真計算，并通過處理得到向岸斜樁樁體關(guān)鍵部位的受力情況（表3）。

由表3可知：向岸斜樁外包長度的加大使其樁頂彎矩的絕對值有增大趨勢，MZ的增長速度特別快，當(dāng)加大到4 m時其增大到了564 816 N·m，但是樁體寬度加大了1.6倍，其受壓區(qū)混凝土抗彎能力提高了4.1倍，所以只要注意受拉區(qū)的配筋，其原樁頂加固區(qū)的受力是能滿足的；向岸斜樁外包長度的加大，使FX增加，F(xiàn)Z減小，F(xiàn)Y減小且變化較小，所承受的剪力還在安全范圍之內(nèi)。向岸斜樁外包長度的加大，使向岸斜樁外包結(jié)束點(diǎn)的彎矩有減小的趨勢（在外包4 m下MX及MZ絕對值總和減少了154 000 N·m），且其剪切力FX、FZ都在安全范圍內(nèi)變動。并且通過向海斜樁的數(shù)據(jù)分析得到，向岸斜樁外包長度的變化對其受力并沒有產(chǎn)生較大的影響。

由計算可知，向岸斜樁在高程約為-5.5 m（泥面以下1～2 m范圍以內(nèi)）也會產(chǎn)生絕對值較大的MZ和MX值，并且泥面以下的絕對值最大彎矩位置沒有隨著樁體加固長度的改變產(chǎn)生較大的變化，仍基本保持在泥面以下1～2 m范圍以內(nèi)；向岸斜樁外包長度的加大對泥面下絕對值最大彎矩MX的絕對值有減小的作用；MZ變化趨勢不明顯，且最大差值小于15 000 N·m；當(dāng)樁體在土體高程-12 m以下時，其彎矩基本不受外包長度的影響。

表3 外包不同長度下向岸斜樁樁體受力Tab.3 Force of onshore inclined pile under different reinforcement lengths

樁體外包后，由以上的彎矩、剪切力及軸力可知：加固區(qū)域的最不利位置在樁頂，外包長度在一定范圍內(nèi)加大，雖然加大了樁頂?shù)氖芰顟B(tài)，但是樁頂經(jīng)過外包后，邊長加大，截面抗力增大，且能夠根據(jù)配筋來增大抵抗力，故可認(rèn)為安全。

為保證樁體的安全，還應(yīng)考慮樁體未加固區(qū)域的最不利受力位置（外包結(jié)束點(diǎn)和泥面以下彎矩絕對值最大點(diǎn)）。由前面分析可知，向海斜樁在向岸斜樁完好情況下，不會發(fā)生樁頂破損，并且向岸斜樁的外包加固對其影響較小，所以只需將已破損的向海斜樁外包0.6 m。隨著外包長度的加大，向岸斜樁外包結(jié)束點(diǎn)的受力朝有利方向發(fā)展，當(dāng)外包到4 m時，MX及MZ絕對值總和減少了近154 000 N·m（MX減少51 000 N·m，MZ減少103 000 N·m），但是另外的一個薄弱位置（泥面下的彎矩絕對值最大點(diǎn)），雖隨著外包長度的加大,該點(diǎn)彎矩MX的絕對值有減小趨勢，但主導(dǎo)彎矩是MZ，其變化幅度較小，并且該點(diǎn)MX絕對值的減小量也小于樁頂；所以外包的長度應(yīng)根據(jù)泥面下的絕對值最大的彎矩的絕對值總和與外包結(jié)束點(diǎn)的彎矩絕對值總和大致一致來選取。

通過計算得到，當(dāng)向岸斜樁加固到3.9 m時，向岸斜樁外包結(jié)束點(diǎn)MX為-58 323 N·m，MZ為154 233 N·m；泥面下最不利位置MX為63 917 N·m，MZ為-151 864 N·m，絕對值總和相差3 222 N·m，故推薦向海斜樁外包長度0.6 m，向岸斜樁外包長度為3.9 m，外包寬度均為0.8 m，在此加固下，樁體彎矩受力改善了38%。根據(jù)計算得到的彎矩及剪力，對加固體配筋。

3.2.3 外包加固樁體后承載力驗(yàn)算

通過對向岸斜樁在加固長度為3.9 m，寬度為0.8 m下的受力進(jìn)行承載力驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)其受力仍超過樁體的極限承載力；所以雖運(yùn)用本方法使其最不利受力降低了38%，對樁體有一定的加固作用，但本工程所承受的作用力過大，還需采用其他輔助方法，如減小后方堆場荷載或采取科學(xué)的管理方法適當(dāng)?shù)臏p小船舶撞擊力等。

4 結(jié)論

以某高樁碼頭為例，利用ANSYS有限元軟件，建立了高樁碼頭結(jié)構(gòu)與土相互作用的數(shù)值計算模型；重點(diǎn)分析了在不同加固方法下，高樁碼頭叉樁的受力變化規(guī)律，并得出以下結(jié)論：

（1）碼頭泊位升級后，在新荷載條件下，向岸斜樁會出現(xiàn)斷裂破損；而當(dāng)向岸斜樁完好時，向海斜樁不會破損，當(dāng)向岸斜樁破損后，在最不利工況下，向海斜樁才會出現(xiàn)大偏心受壓破壞。所以為保證碼頭安全作業(yè)，需對向岸斜樁進(jìn)行加固，破損的向海斜樁只需進(jìn)行修復(fù)，完好的向海斜樁不需處理。

（2）加大樁帽法對樁體的不利受力狀況基本上沒有改善，故其對樁體僅有修復(fù)的作用。

（3）局部外包樁體法對樁體有一定的加固作用，當(dāng)加固后樁體寬度為0.8 m，向岸斜樁加固體長度為3.9 m時，為最優(yōu)外包加固，在此加固下向岸斜樁最不利彎矩總和降低了38%，但是計算結(jié)果表明仍不能滿足本工程需求，需借助一些輔助措施來保證碼頭的安全作業(yè)。

故推薦局部外包樁體法為本工程修復(fù)加固方案，并借助相應(yīng)的輔助措施來保證碼頭的安全作業(yè)。

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