水平荷載下底梁式全直樁碼頭橫向荷載傳遞規(guī)律

盧 陳，劉曉平，林積大，劉 霞

(1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410076;2.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

高樁碼頭在我國得到了廣泛應(yīng)用，是主要碼頭結(jié)構(gòu)型式之一，適用于可沉樁的各種地基，尤其是軟土地基.而對于水位差較大的碼頭，一般會采用多層系靠船結(jié)構(gòu)的全直樁高樁碼頭，其具有諸多優(yōu)點:受力均勻合理;沉樁便捷;施工時期樁受力較小;能較好地適應(yīng)岸坡變形［1－2］.但與此同時，也存在一些不足，如樁端彎矩較大，可能造成樁端斷裂;碼頭結(jié)構(gòu)上的水平力全部由直樁承擔(dān)，而直樁抗擊水平力的能力相對弱;在較大水平力的作用下，結(jié)構(gòu)位移可能會超過限制值等.針對這一系列特點，要求碼頭結(jié)構(gòu)高以適應(yīng)大水位變幅下能正常裝卸作業(yè)、承受水平荷載較大以適應(yīng)大噸位船舶?？康忍攸c，由此提出了底梁式全直樁高樁碼頭.底梁式全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)是在全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在樁基上設(shè)置一層底縱橫梁.一方面，這種結(jié)構(gòu)保持了全直樁結(jié)構(gòu)的特點，采用的樁基形式都是全直樁，不設(shè)置叉樁和斜樁，從而繼承了全直樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，如透空性好，阻流小等.另一方面，多設(shè)置一層底縱橫梁，可加強碼頭結(jié)構(gòu)的整體性，改變結(jié)構(gòu)的剛度與彎矩分配情況，提高承受水平荷載作用的能力，改善全直樁結(jié)構(gòu)的不足之處(見圖1).

底梁式全直樁高樁結(jié)構(gòu)對大水位差碼頭有較好的適用性，然而其結(jié)構(gòu)的受力特性還有待研究和探討.一般對碼頭結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和彎矩計算，都簡化至1個橫向排架內(nèi)進行計算，而且此結(jié)構(gòu)的橫向剛度是重要研究對象，通過單橫向排架能較清晰的反應(yīng)水平作用力的橫向傳遞規(guī)律，因此有必要對單橫向排架進行室內(nèi)模型試驗和數(shù)學(xué)模型試驗，研究結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下單向排架受力特點、靠船橫梁及底橫梁的作用效果，從而探討水平荷載作用下底梁式全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)橫向受力特性.

圖1 底梁式全直樁高樁碼頭斷面Fig.1 Structure of mudsill all-vertical-piled and high-piled wharf

1 室內(nèi)模型試驗

1.1 模型設(shè)計

1.1.1 試驗原型 試驗原型如圖1所示，考慮到試驗主要研究碼頭結(jié)構(gòu)的水平力分配問題，以及模型制作的復(fù)雜性，因此將試驗原型進行簡化.簡化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示，首先結(jié)構(gòu)上不考慮面板和縱梁的作用，頂橫梁和底橫梁的尺寸分別為180 cm×100 cm和180 cm×150 cm，樁直徑均為160 cm;其次地基土簡化為2層(黏土層和板巖)，黏土層的壓縮模量為3.6 MPa，密度為1 900 kg/m3，水的質(zhì)量分數(shù)為30.9%，板巖的單軸抗壓強度為1.2 MPa.

1.1.2 模型相似系數(shù)及比尺的選擇［4］試驗主要保證彈性模量E和慣性矩I相似，然后根據(jù)相似三大定理進行相似推導(dǎo)［5－6］.用方程分析法和量綱分析法作相似分析，得到試驗?zāi)Ｐ拖嗨茀?shù).通過計算得各相似關(guān)系如下:

圖2 物理原型簡化示意圖Fig.2 Structure sketch

式中:π1～π5為5個無量綱量;l為幾何尺寸;σ為應(yīng)力;ε為應(yīng)變;μ為泊松比;ρ為土密度;P為集中力.

滿足以上5個等式的相似條件，即能保證模型與原型相似.根據(jù)試驗場地及現(xiàn)有條件，擬定模型長度比尺SL=40，應(yīng)力比尺 Sσ=6，應(yīng)變比尺 Sε=1，彈性模量比尺SE=6，泊松比比尺 Sμ=1，集中力比尺=402×6=9 600.

1.1.3 模型材料的選擇及測定［7－10］根據(jù)相似比尺換算，結(jié)構(gòu)可采用PVC材料進行模擬，而低彈性模量的巖層材料和低壓縮模量的土質(zhì)材料較為復(fù)雜，需要通過配比試驗具體確定.對于巖層的模似，可通過在混凝土里添加石膏粉降低混凝土的強度而獲得合適的巖層模型材料;對于土質(zhì)層的模似，則主要考慮在黏土里加木屑的方法來降低其壓縮模量.具體的各材料關(guān)鍵物理量的標定以及配比結(jié)果為:模擬鋼筋混凝土的PVC，彈性模量為4.99×103MPa;模擬黏土的土與木屑的質(zhì)量比為0.375，含水量為63.3%，濕密度為0.99 g/cm3，壓縮模量為1.004 MPa;模擬板巖的砂膠比為6，水泥石膏比為7∶3，極限抗壓強度為1.993 MPa，彈性模量為0.452×103MPa.

1.1.4 加載系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)相似比例換算SP=9 600，則80 t原型船舶撞擊力換算成模型加載量為8.5 kg，對結(jié)構(gòu)加載采用4，8，12，16和20 kg的多級重力間接加載法，加載位置定于水平荷載能產(chǎn)生最大的位移處，即頂橫梁處.

1.2 試驗結(jié)果分析

1.2.1 位移分析 荷載位移曲線見圖3.可見，各部分位移隨著荷載的增大，基本呈現(xiàn)線性增長的趨勢.分析原因主要是在水平荷載較小時，提供土抗力的土的變形主要為彈性，即樁周土處于彈性變形階段，而碼頭結(jié)構(gòu)同樣也處于小變形的彈性范圍內(nèi)，因此整個位移趨勢基本出現(xiàn)線性增長趨勢.側(cè)移從大至小分別為頂橫梁、樁中、底橫梁，說明各樁基以底橫梁以下的某點為嵌固點而發(fā)生轉(zhuǎn)動.

1.2.2 彎矩分析 根據(jù)應(yīng)變計算得到各樁身在各級荷載下完整的彎矩分布見圖4.由于樁3與樁4，5彎矩變化規(guī)律相似，因此物理模型的彎矩分析主要選取樁1，2，3進行.

由圖4可見，各樁在分級水平荷載作用下彎矩規(guī)律相似，均出現(xiàn)兩處反彎突變，即底橫梁部位和入基巖部位.各樁彎矩先沿樁身減少至底橫梁上部，達到最大負彎矩，然后在底橫梁處出現(xiàn)反彎，在地基作用下彎矩緩慢減少并在基巖部位再次出現(xiàn)反彎，最后彎矩緩慢減少至樁底附近趨于零.

圖3 荷載位移曲線Fig.3 Displacement curves under loading

圖4 各級荷載下的實測彎矩分布Fig.4 Measured bending moments under loading of all levels

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

碼頭結(jié)構(gòu)見圖1，高樁碼頭為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，計算時結(jié)構(gòu)尺寸按實際工程尺寸并進行局部簡化，地基則主要簡化為淤泥質(zhì)粉土夾粉細砂、卵石及砂質(zhì)板巖三層，材料參數(shù)見表1.采用有限元軟件ANSYS進行空間三維模擬，其中X向表示垂直水流并指向陸側(cè)方向，Y向表示豎直向上方向，Z向表示順水流方向，有限元模型見圖5.結(jié)構(gòu)和土均采用線彈性模型和6面體8節(jié)點的solid 45單元;樁土體系的模擬采用接觸面單元相耦合的數(shù)值方法，該接觸面單元能較準確地模擬樁土界面的摩阻力發(fā)揮與樁土間的相對位移的關(guān)系［3］.

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

表1 結(jié)構(gòu)、土材料參數(shù)Tab.1 Physic-mechanical parameters of soil and structure

2.2 數(shù)學(xué)模型試驗與室內(nèi)物理模型試驗對比

本文采用數(shù)學(xué)模型和物理模型相結(jié)合的研究方法，針對船舶水平撞擊荷載(800 kN)作用下的結(jié)構(gòu)受力特點進行分析.通過相似比例換算，對應(yīng)的模型荷載Fm=Fp/SF=800 kN/9 600=83 kN，即加載量為8.5 kg.物理模型試驗直接測試內(nèi)容包括位移(Sx=40)和應(yīng)變(Sε=1)，而數(shù)學(xué)模型也能直接得出這兩項內(nèi)容，因此主要針對位移進行對比分析，從而對數(shù)學(xué)模型的合理性進行判斷.

物理模型的位移測試為頂橫梁、底橫梁、樁1中和樁2中共4個測點，提取相應(yīng)點的數(shù)學(xué)模型位移結(jié)果，按位移比尺Sx=40進行換算，再對兩種方法研究結(jié)果進行對比.經(jīng)數(shù)模計算的側(cè)向位移:頂橫梁4.43 mm，底橫梁2.61 mm，樁 2為 3.28 mm，樁 3 為 3.38 mm;物理模型得到的側(cè)向位移:頂橫梁 4.48 mm，底橫梁2.90 mm，樁2 為3.34 mm，樁3 為3.58 mm;兩者的誤差值依次為 1.23%，9.79%，1.89%和 5.65%.可見，物理模型結(jié)果略大于數(shù)學(xué)模型，誤差值均在10%以內(nèi)，說明和物理模型較為吻合，數(shù)學(xué)模型可用于本項研究的分析.

2.3 橫向傳遞規(guī)律分析

2.3.1 樁的受力分析 樁的側(cè)向位移見圖6.從圖6(a)可見，各樁位移值接近，均沿樁深方向逐漸減小，最大值4.5 mm出現(xiàn)在樁頂，最小值出現(xiàn)在入基巖處.從圖6(b)可見，各樁彎矩值較接近，彎矩先沿樁身減小至底橫梁上部，達到最大負彎矩－454 kN·m，然后在底橫梁處出現(xiàn)反彎，在底橫梁下部又出現(xiàn)最大正彎矩509 kN·m，最后在地基的反彎作用下彎矩緩慢減少并在樁底附近彎矩趨于零，而樁1和樁2由于受到靠船橫梁的相互協(xié)調(diào)作用，彎矩出現(xiàn)了局部突變.從圖6(c)可見，各樁首先在底橫梁的協(xié)調(diào)作用下，在底橫梁處剪力發(fā)生突變，然后再在強度較大的卵石層突變減小;樁1和樁2上部的剪力值相近，并有局部剪力突變現(xiàn)象，分析其原因主要是因為靠船橫梁在樁1和樁2間起到了相互協(xié)調(diào)的作用，致使兩樁的受力趨于一致性.經(jīng)計算各樁剪力比值為樁1∶樁2∶樁3∶樁4∶樁5=17.5%∶16.4%∶20.2%∶22.1%∶23.8%.可見，各樁的剪力差值較小，說明底橫梁和靠船橫梁能有效協(xié)調(diào)各樁的剪力大小，提高了樁基的整體抗水平力能力.

圖6 樁受力分析Fig.6 Mechanical analysis of piles

綜上可知，底橫梁和靠船橫梁對協(xié)調(diào)各樁位移變形起到了積極作用，但其作用機理需進一步加以分析.從力學(xué)角度，我們可判斷底橫梁和靠船橫梁主要起到傳遞軸力的作用，因此，下面就頂橫梁、底橫梁和靠船橫梁的軸力變化規(guī)律進行分析.

2.3.2 橫梁軸力分析 橫梁軸力見圖7.從圖7可知，頂橫梁均為受壓狀態(tài)，在樁的抗彎作用下，軸力值在樁后減小，特別是經(jīng)過樁1和樁2的抗彎作用后，頂橫梁軸力值從－800 kN變化到－228 kN，而底橫梁軸力值從0變化到－327 kN，說明在經(jīng)過樁1和樁2后，水平荷載從單純的頂橫梁傳遞轉(zhuǎn)化成了頂、底橫梁共同傳遞.

圖7 橫梁軸力Fig.7 Axial force of beams

3 結(jié)語

根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，采用室內(nèi)模型試驗和數(shù)學(xué)模型試驗相結(jié)合的方法，對底梁式全直樁碼頭在水平荷載作用下的橫向傳遞規(guī)律進行分析，主要得到了以下結(jié)論:

(1)以彈性模量相似為重點進行相似理論推導(dǎo)，并進行配比試驗選擇合適的模型材料，從理論上能較好地模擬水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力特點.

(2)側(cè)移從大至小分別為頂橫梁、樁中、底橫梁，說明各樁基以底橫梁以下的某點為嵌固點而發(fā)生轉(zhuǎn)動;各樁從上至下均在底橫梁處和入基巖處出現(xiàn)彎矩的突變，且隨著荷載的增大，變化幅度較其它部位明顯，因此，對此處樁身結(jié)構(gòu)可適當(dāng)進行加固處理.

(3)各樁在分級水平荷載作用下彎矩規(guī)律相似，均在底橫梁和入基巖部位出現(xiàn)兩處反彎突變.各樁彎矩先沿樁身減小至底橫梁上部，達到最大負彎矩，然后在底橫梁處出現(xiàn)反彎，在地基作用下彎矩緩慢減小并在基巖部位再次出現(xiàn)反彎，最后彎矩緩慢減小至樁底附近彎矩趨于零.

(4)綜合分析單排架的橫向受力表明:增加底橫梁和靠橫梁后，一方面增加了碼頭結(jié)構(gòu)的整體剛度;另一方面軸力的傳遞途徑從單純的依靠頂橫梁傳遞轉(zhuǎn)變成了多橫梁同時傳遞，水平力分散到位置更低的底橫梁和靠橫梁進行傳遞，從而降低了水平力的作用位置，相對減少了結(jié)構(gòu)柔性，增加了結(jié)構(gòu)的相對剛度.因此，增加底橫梁和靠橫梁能大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗水平力的能力.

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