板樁-重力式碼頭組合結(jié)構(gòu)的計算

龍素華，杜飛飛

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，港口深水化、船舶大型化已成為必然趨勢，故對不能滿足運輸生產(chǎn)需要的舊碼頭，必須采取有效的措施解決靠泊能力不足的問題，提高舊碼頭對新貨種和新船型的適應(yīng)能力，以適應(yīng)新的生產(chǎn)需求。

目前，常采用的重力式碼頭改造形式較多，主要有舊碼頭前新建碼頭結(jié)構(gòu)、增加樁基加固、增設(shè)浮式護(hù)舷或更換大型護(hù)舷、基礎(chǔ)壓力灌漿加固、碼頭后回填土高壓旋噴樁加固等方法，或單獨或聯(lián)合采用，已達(dá)到良好的加固效果[1-2]。但這些加固形式只適用于港池底標(biāo)高不增加或增加不大且不超過原碼頭拋石基床底標(biāo)高的情況。當(dāng)原基床較薄，新疏浚深度遠(yuǎn)超過原基床底標(biāo)高時，碼頭的整體穩(wěn)定性很難得到滿足，此時需另行考慮比較安全經(jīng)濟(jì)的技術(shù)改造方案。

某重力式方塊碼頭升級改造項目，船型由1萬t升級到5萬t，碼頭前沿水深遠(yuǎn)超原碼頭基床底標(biāo)高。設(shè)計采用的改造方案為在原重力式碼頭前施打板樁的結(jié)構(gòu)形式。本文主要通過建立一種新的計算模式對改造后的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，分析該形式碼頭的結(jié)構(gòu)受力特點，為類似工程提供參考。

1 改造設(shè)計

某工程原設(shè)計船型為10 000 DWT的集裝箱船碼頭，碼頭面頂高程為+2.77 m，港池底標(biāo)高為-10.0 m。碼頭結(jié)構(gòu)形式為實心方塊碼頭，墻后為拋石棱體結(jié)構(gòu)，基床采用2.0 m的暗基床，具體碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖1。碼頭前沿均載為20 kPa，采用450 kN系船柱，頂層胸墻寬度為3.5 m，墻底寬度為5 m。方塊尺寸如圖1所示。

現(xiàn)由于升級改造，需要停靠50 000 DWT的集裝箱船，原港池底標(biāo)高需浚深至-14.0 m。碼頭系纜采用1 000 kN系船柱，靠船設(shè)備采用SUC1700H（RO）一鼓一板橡膠護(hù)舷。碼頭工藝荷載不變，裝卸機械采用45 t正面吊，碼頭面均載按30 kPa考慮。

圖1 原碼頭典型斷面Fig.1 Typical section of the existing wharf

設(shè)計采用舊碼頭前一定距離打設(shè)組合鋼管板樁結(jié)構(gòu)。由于工程水域限制以及考慮到改造后舊碼頭與相鄰碼頭的靠泊使用問題，新碼頭前沿線應(yīng)盡可能的接近舊碼頭前沿線，故暫定板樁中軸線距離原碼頭前沿線3 m。鋼管樁外徑1 400 mm，壁厚20 mm，沿碼頭前沿方向間隔布置，間距為2.86 m，鋼管樁兩側(cè)預(yù)先焊接鎖口，待鋼管樁打設(shè)完畢后，鋼管樁之間插打AZ26-700鋼板樁，形成連續(xù)的鋼管板樁墻。板樁后不回填。為確保鋼管板樁墻與原有方塊碼頭之間的整體性，拆除原有碼頭頂部第一層方塊后重新澆筑鋼筋混凝土胸墻，將鋼管樁、板樁與原有方塊碼頭連為一體。胸墻前端距離原碼頭前沿線4.7 m，后端距離原碼頭前沿線5.5 m。碼頭改造斷面示意如圖2所示。

該新舊結(jié)構(gòu)組合的重力式碼頭結(jié)構(gòu)，涉及到新舊結(jié)構(gòu)之間協(xié)同工作問題，而現(xiàn)行規(guī)范中的計算方法還沒有成熟可靠的計算模式，缺少合理的簡化計算方法。

2 組合結(jié)構(gòu)的受力特性和計算方法

2.1 受力特性分析

2.1.1 組合結(jié)構(gòu)板樁部分

組合結(jié)構(gòu)板樁部分同傳統(tǒng)的板樁碼頭有較大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）后方重力式結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個大的混凝土擋土結(jié)構(gòu)，對原港池底標(biāo)高-10 m以上非入土板樁部分起到了遮簾擋土作用。

2）板樁墻后自重土壓力計算起始面降低，即為原港池底標(biāo)高-10 m處而不是碼頭面標(biāo)高處。

3）板樁墻后土壓力計算起始面以上的重力式方塊傳遞的基床頂面應(yīng)力和后方填料及荷載產(chǎn)生的土壓力，會在板樁墻入土部分往下一定范圍內(nèi)突增。

4）板樁墻后主要土壓力受力范圍整體往下偏移?？深A(yù)見隨著新建板樁距離原碼頭越遠(yuǎn)，偏移就會越大，對板樁受力越有利。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)改造典型斷面Fig.2 Typical section of the improved wharf

2.1.2 組合結(jié)構(gòu)重力式碼頭部分

組合結(jié)構(gòu)重力式碼頭部分與原重力式方塊碼頭相比，由于上部使用均載增加，同時板樁部分所受外力通過新建胸墻傳遞給下面的方塊，故各方塊之間、方塊與基床之間抗傾抗滑需重新驗算。同時由于前方港池開挖，勢必對碼頭的整體穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

總之，組合結(jié)構(gòu)內(nèi)力的傳遞可總結(jié)為：受墻前開挖和外荷載作用，板樁受力通過樁頂胸墻傳遞給后方方塊，而方塊碼頭所受外力則通過基床應(yīng)力和土壓力的形式作用于板樁結(jié)構(gòu)上，兩種結(jié)構(gòu)相互作用。胸墻和方塊間不允許發(fā)生位移和傾斜，胸墻將力傳遞給重力式方塊碼頭后，需驗算方塊碼頭的抗傾抗滑穩(wěn)定性以及基床的承載力，滿足要求后，方可將方塊碼頭和板樁作為整體結(jié)構(gòu)來考慮，計算整體穩(wěn)定并滿足規(guī)范要求。

2.2 建立計算方法

2.2.1 計算思路

板樁-重力式碼頭兩部分是協(xié)同作用的，板樁與胸墻固結(jié)，從而與后方重力式碼頭連接為整體。作用在板樁上的力通過胸墻傳遞給后方方塊碼頭，但是，板樁傳遞至胸墻的力由板樁所受土壓力和系纜力產(chǎn)生，這個力存在不確定性，為了能有效地將板樁部分和重力式碼頭部分單獨考慮而又能反映兩者的協(xié)同作用，參考結(jié)構(gòu)力學(xué)中的截面法，將新建胸墻在老碼頭前沿線處截開，將左邊板樁和右邊重力式方塊碼頭分開為兩個部分，分別進(jìn)行計算，在胸墻截面處不發(fā)生位移和轉(zhuǎn)角，視為固結(jié)。

2.2.2 計算方法

1） 板樁結(jié)構(gòu)部分：受力示意圖見圖3。其中，原重力式碼頭基床面以上結(jié)構(gòu)的內(nèi)力轉(zhuǎn)化為外力作用在板樁墻后基床頂面上，板樁入土部分受兩側(cè)土壓力作用，上部與胸墻剛接，胸墻截面處簡化為固定支座。采用豎向彈性地基梁法[3]計算板樁內(nèi)力。

2）重力式碼頭部分：將胸墻截面處傳來的力作為外荷載來考慮，作用在方塊碼頭上，按照J(rèn)TS 167-2—2007《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》[4]中規(guī)定的方法進(jìn)行計算。

圖3 板樁結(jié)構(gòu)計算示意圖Fig.3 Schematic diagram of thesheet pilecalculation

2.2.3 具體計算過程

1）首先不考慮系纜力，計算原重力式碼頭在新碼頭面均載作用下的抗傾抗滑穩(wěn)定性和方塊對基床頂面產(chǎn)生的應(yīng)力。

2）將得出的基床頂面應(yīng)力、方塊碼頭后方計算起始面-10 m以上填料自重和均載產(chǎn)生的力、計算起始面-10 m以下土自重產(chǎn)生的土壓力和板樁碼頭所受的其它外力作為外荷載，輸入板樁結(jié)構(gòu)部分，利用有限元軟件進(jìn)行計算，計算得出胸墻截面處固定支座反力。

3）將求得的截面處固定支座反力再作為外荷載，輸入重力式碼頭部分進(jìn)行計算，驗算碼頭的穩(wěn)定性和承載力。若方塊抗傾抗滑仍滿足規(guī)范要求，則將計算得到的新基床頂面應(yīng)力，再代入上面計算第2）步，重新進(jìn)行板樁結(jié)構(gòu)部分計算。

4） 進(jìn)行第2）、3）步驟的若干次循環(huán)，直至基床頂面應(yīng)力前后步驟計算結(jié)果誤差逐步減小并接近相等，且同時方塊碼頭始終滿足穩(wěn)定和基床承載力要求，此時可將計算所得的板樁內(nèi)力作為最終計算結(jié)果。

2.3 組合結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果

采用2.2節(jié)的計算方法，設(shè)坐標(biāo)系統(tǒng)水平向右為X正向，豎直向上為Y正向。力同坐標(biāo)正方向為正，彎矩逆時針方向為正。計算組合考慮承載能力極限狀態(tài)持久組合。材料性質(zhì)和土層主要物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 材料參數(shù)取值Table 1 Parametersvalue of materials

2.3.1 原重力式碼頭結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果

經(jīng)驗算，在最不利工況組合下（自重+均載+系纜力，極端高水位時不考慮系纜力作用），原碼頭各層方塊均滿足抗傾抗滑穩(wěn)定要求，極端低水位時基床頂面應(yīng)力最大，結(jié)果見表2。

表2 原碼頭結(jié)構(gòu)基床頂面應(yīng)力計算結(jié)果Table 2 Calculation results of stress on the surface of existing wharf structure foundation

由表2可見，原碼頭基床頂面應(yīng)力偏心距較大，應(yīng)力呈三角形分布。合力標(biāo)準(zhǔn)值作用點與前趾距離ξ已經(jīng)接近規(guī)范的臨界值B/4。這時如果碼頭水平系纜荷載增加，會造成墻地面豎向合力偏心和基床頂面應(yīng)力進(jìn)一步增大，繼而導(dǎo)致基床頂面應(yīng)力偏心較難滿足規(guī)范要求。

2.3.2 組合結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

第1步：重力式碼頭計算（均載30 kPa，無系纜）

外部荷載30 kPa，暫不考慮由板樁傳遞至胸墻的荷載?？紤]到既能起到一定的卸荷作用，又可以平衡基床頂面應(yīng)力的偏心，初步設(shè)定現(xiàn)澆胸墻后端加長至距離原碼頭前沿線5.5 m。經(jīng)驗算，在自重和30 kPa均載工況組合下，各層方塊均滿足抗傾抗滑穩(wěn)定要求，基床頂面應(yīng)力見表3，表中符號意義同表2。

第2步：板樁結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)板樁踢腳穩(wěn)定和整體穩(wěn)定計算，確定板樁底標(biāo)高為-26 m。板樁結(jié)構(gòu)部分的計算采用通用結(jié)構(gòu)有限元軟件，板樁內(nèi)力計算采用豎向彈性地基梁法，m值根據(jù)規(guī)范取10 000 kN/m4。經(jīng)計算，胸墻截斷處結(jié)構(gòu)內(nèi)力為彎矩=393.3 kN·m/m，水平力Fx=-409.2 kN/m，豎向力Fy=-211.6 kN/m。

表3 組合結(jié)構(gòu)基床頂面應(yīng)力第1步計算結(jié)果Table 3 Thefirst step calculation result of stresson the surface of composite structure foundation

第3步：重力式碼頭計算（胸墻截斷處作用板樁結(jié)構(gòu)傳遞來的內(nèi)力）

將第2步胸墻截斷處內(nèi)力反作用于方塊碼頭部分，在自重和均載作用下，經(jīng)驗算，胸墻抗傾抗滑穩(wěn)定不滿足要求，結(jié)果見表4，而其它各層方塊間穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。此時，可采取植筋措施，將胸墻和第一層方塊固定連接，使其滿足抗傾抗滑穩(wěn)定要求。這時基床頂面應(yīng)力結(jié)果見表5。

表4 胸墻抗傾抗滑穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 4 Calculation result of stability against overturning and sliding of breast wall

表5 組合結(jié)構(gòu)基床頂面應(yīng)力第3步計算結(jié)果Table 5 The third step calculation result of stresson the surface of composite structure foundation

第4步：將第3步計算所得基床頂面應(yīng)力重新代入第2步，循環(huán)做第2、3步的計算。經(jīng)多次計算（計算各步結(jié)果見表6），當(dāng)基床頂面應(yīng)力幾乎相等時，可認(rèn)為整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力達(dá)到平衡。此時得到的板樁內(nèi)力可作為最終結(jié)果，板樁內(nèi)力為最大彎矩=1 856.6 kN·m/m，最大剪力=295.7 kN/m。

2.3.3 組合結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計算

經(jīng)過上述計算，碼頭組合結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求，此時，還需驗算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。整體穩(wěn)定采用圓弧滑動簡單條分法計算，使用期持久狀況計算水位采用極端低水位，持久狀況土的力學(xué)指標(biāo)采用固結(jié)快剪指標(biāo)。計算結(jié)果為原重力式方塊碼頭最小抗力分項系數(shù)=1.12，浚深加板樁組合結(jié)構(gòu)最小抗力分項系數(shù)=1.1?？梢姡脑旌蟮慕M合結(jié)構(gòu)使得整個碼頭穩(wěn)定性比原來進(jìn)一步加強，改造效果明顯，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表6 結(jié)構(gòu)循環(huán)計算步結(jié)果匯總Table 6 Summary of calculation step result of structure

3 結(jié)語

板樁-重力式碼頭組合結(jié)構(gòu)采用截面法，將板樁結(jié)構(gòu)和重力式結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用聯(lián)系起來，板樁結(jié)構(gòu)采用豎向彈性地基梁法，重力式結(jié)構(gòu)采用《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》中規(guī)定的方法進(jìn)行計算。兩種結(jié)構(gòu)通過聯(lián)合迭代計算，當(dāng)基床頂面應(yīng)力趨于一致時，結(jié)束迭代計算從而得出板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和重力式結(jié)構(gòu)抗傾抗滑穩(wěn)定性及基床頂面應(yīng)力。這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)受力明確，簡便可行，計算結(jié)果較為可靠；缺點是需要多次迭代計算，步驟較多，但是每步計算難度并不大，故在工程實際應(yīng)用中，可以借鑒參考。