高樁碼頭加固改造工程計(jì)算方法對(duì)比分析

龔偉杰，陶桂蘭，周 宇

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)所，南京210098；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京210006）

高樁碼頭加固改造工程計(jì)算方法對(duì)比分析

龔偉杰1，陶桂蘭1，周 宇2

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)所，南京210098；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京210006）

以江蘇某高樁碼頭加固改造工程為例，分別建立平面和空間有限元模型，計(jì)算了不同荷載組合工況下改造后的碼頭內(nèi)力情況。研究結(jié)果表明：（1）高樁碼頭加固改造工程按平面和空間兩種計(jì)算方法在同一荷載組合情況下計(jì)算所得的樁基內(nèi)力比較接近；（2）平面有限單元法將所有荷載簡(jiǎn)化后均作用在橫向排架上，而空間有限元法則可根據(jù)荷載實(shí)際分布情況加載，兩種計(jì)算方法對(duì)橫梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果差別較大。（3）根據(jù)平面和空間有限元計(jì)算方法的特點(diǎn)，對(duì)于比較重要和工程量較大的加固改造工程，建議用平面有限元法計(jì)算確定工程方案，用空間有限元法對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力分析與配筋。

高樁碼頭；加固改造；平面有限元；空間有限元；計(jì)算方法

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷發(fā)展，未來我國(guó)的港口運(yùn)輸需求將快速增長(zhǎng)，但受到岸線、土地和水域等資源限制，港口發(fā)展問題不可能無限制地依靠擴(kuò)大岸線、新建碼頭的粗放式發(fā)展方式來解決，必須加快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，把節(jié)約岸線、土地等資源擺在更加突出的位置。碼頭結(jié)構(gòu)加固改造在提高結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)使其靠泊能力得以提高，投資少、影響小、見效快，不僅有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也具有巨大的社會(huì)效益，最關(guān)鍵的是不占用新的岸線、土地和水域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在我國(guó)約有1/3的泊位在超設(shè)計(jì)船型靠泊，加大對(duì)該部分碼頭的加固和升級(jí)改造，對(duì)于保證碼頭安全生產(chǎn)和建設(shè)節(jié)約型交通具有重要意義。

高樁碼頭是沿海及內(nèi)河碼頭采用的主要結(jié)構(gòu)形式之一。對(duì)于已經(jīng)建成的高樁碼頭而言，由于隨著靠泊船舶、裝卸機(jī)械不斷趨向大型化，部分高樁碼頭結(jié)構(gòu)的受力已經(jīng)不再滿足要求。拆除重建碼頭不合理、不現(xiàn)實(shí)，較為經(jīng)濟(jì)合理的方案是在原有高樁碼頭的基礎(chǔ)之上進(jìn)行加固改造，在短期內(nèi)提高碼頭的靠泊能力，滿足碼頭的安全和穩(wěn)定的要求。鎮(zhèn)江港、天津港，南通港［1-3］等部分高樁碼頭已通過加固改造工程提升了碼頭的靠泊能力。

對(duì)于高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常分為平面和空間兩種方法。一般高樁碼頭結(jié)構(gòu)分段長(zhǎng)度比寬度大3～4倍，縱向平面剛度相對(duì)比較小，橫梁組成的橫向排架基本上是獨(dú)立工作的［4］。而且各橫向排架的間距和結(jié)構(gòu)基本相同，受荷條件和能力相當(dāng)，因此，碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算普遍簡(jiǎn)化為以橫向排架為計(jì)算單元，求解排架內(nèi)力的二維平面問題［5］。平面有限單元法設(shè)計(jì)的高樁碼頭加固結(jié)構(gòu)一般偏向安全保守，按照這種方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)承載能力有較多的富余，但是對(duì)于復(fù)雜荷載組合情況下的構(gòu)件內(nèi)力分析并不足夠準(zhǔn)確?？臻g有限單元法從空間整體角度分析結(jié)構(gòu)，其求得的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力值通常比較接近實(shí)際構(gòu)件內(nèi)力情況，用這種方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)，但是建模求解相對(duì)繁瑣。

針對(duì)現(xiàn)有的這些問題，本文以江蘇某碼頭改造工程為例，用易工平面有限元軟件和ANSYS空間有限元軟件對(duì)改造后的碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出在不同荷載組合工況下的碼頭內(nèi)力情況。對(duì)計(jì)算出的內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，總結(jié)出平面和空間兩種計(jì)算方法的特點(diǎn)，為高樁碼頭升級(jí)改造工程計(jì)算提供參考。

1 工程概況

1.1 原碼頭概況

該碼頭結(jié)構(gòu)為高樁梁板式，泊位長(zhǎng)200.5 m，碼頭面高程6.10 m（黃海高程，下同），碼頭前沿泥面高程為-11.50 m。碼頭總寬28 m，分前后平臺(tái)。前平臺(tái)寬度14.5 m，后平臺(tái)寬度13.5 m。排架基礎(chǔ)均采用600 mm×600 mm預(yù)制砼方樁，碼頭排架間距為7～ 7.1 m。前平臺(tái)每榀排架布設(shè)5根基樁，其中有1對(duì)叉樁，上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制預(yù)應(yīng)力軌道梁、空心板組成；后平臺(tái)布設(shè)2根基樁，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆橫梁+空心板。碼頭前沿系靠設(shè)施均采用550 kN系船柱和H500D型護(hù)舷。

1.2 碼頭改造設(shè)計(jì)代表船型

碼頭結(jié)構(gòu)加固改造后，可靠泊船型如下表1。

表1 結(jié)構(gòu)改造后代表船型尺度Tab.1 Dimensions of representative ship types after wharf structure reconstruction

1.3 碼頭加固改造方案

現(xiàn)有泊位改造后，?？看陀? 千t級(jí)提高到2萬t級(jí)，超過原設(shè)計(jì)船型的船舶系靠在新設(shè)計(jì)的系靠泊點(diǎn)處，碼頭改造后前沿泥面設(shè)計(jì)高程為-11.5 m，近期裝卸設(shè)備為10 t門機(jī)，遠(yuǎn)期更換為3 000 t/h裝船機(jī)。

碼頭靠泊船型增大后，船舶荷載也相應(yīng)增加，根據(jù)總平面布置，加固改造船型停靠碼頭是在原碼頭結(jié)構(gòu)部分排架處新增系靠泊點(diǎn)，以承受船舶荷載。新增系靠泊點(diǎn)處結(jié)構(gòu)加固考慮利用原碼頭結(jié)構(gòu)，擬采用以下加固方案：在每個(gè)靠泊點(diǎn)處排架的前端增設(shè)4根Φ800 mmPHC樁，樁底高程和原方樁底高程一致，上部用混凝土澆筑節(jié)點(diǎn)與原橫梁連成一體，PHC樁采用水上打樁架施工。為使打樁船能沉樁，施工前改造排架及相鄰排架端部（4跨3榀）需要拆除碼頭前沿5 m范圍內(nèi)的面板、邊梁、軌道梁、系靠設(shè)施、橫梁，沉樁后現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)使新增樁基和原碼頭結(jié)構(gòu)連成一體，并在新澆節(jié)點(diǎn)上方設(shè)置750 kN系船柱和Ф1 200 mm圓筒型護(hù)舷（三只一組），其他結(jié)構(gòu)按原樣恢復(fù)。改造后碼頭前平臺(tái)結(jié)構(gòu)斷面圖見圖1。

圖1 改造后碼頭前平臺(tái)結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1 Cross section of wharf apron platform after structure reconstruction

1.4 計(jì)算工況

選取四種典型的荷載組合作為計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算：

組合1：永久荷載+船舶靠岸撞擊力+散貨荷載+裝船機(jī)（陸側(cè)）；

組合2：永久荷載+船舶靠岸撞擊力+散貨荷載；

組合3：永久荷載+散貨荷載+裝船機(jī)（海側(cè)）+船舶系纜力；

組合4：永久荷載+船舶系纜力+散貨荷載+裝船機(jī)（陸側(cè)）。

2 計(jì)算模型

2.1 樁的受彎計(jì)算長(zhǎng)度

排架計(jì)算中樁的受彎計(jì)算長(zhǎng)度等于樁的自由長(zhǎng)度與樁在土中的嵌固點(diǎn)深度。嵌固點(diǎn)深度按《港口工程樁基規(guī)范》（JTS 167-4-2012）［6］采用的假想嵌固點(diǎn)法計(jì)算，假想嵌固點(diǎn)位置可按下式確定

式中：t為受彎嵌固點(diǎn)距泥面深度，m；η為系數(shù)，取1.8～2.2，樁頂鉸接或樁的自由長(zhǎng)度較大時(shí)取較小值，樁頂無轉(zhuǎn)動(dòng)或樁的自由長(zhǎng)度較小時(shí)取較大值；本文取2.2。T為樁的相對(duì)剛度特征值，m，可按下式計(jì)算

式中：Ep、Ip為樁材料的彈性模量（kN/m2）和樁截面的慣性矩（m4）；m為土的水平地基系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的比例系數(shù)，kN/m4，m取5 000 kN/m4；b0為考慮樁周土空間受力的換算寬度，m，取2倍的樁受力面樁寬（或樁徑）。代入各值求得嵌固點(diǎn)深度t=6.12 m。

2.2 高樁碼頭平面有限元模型

用易工港口工程有限元設(shè)計(jì)軟件建立平面有限元模型，計(jì)算中將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面桿系，利用平面有限單元法進(jìn)行求解?？紤]橫梁為變截面，兩截面之間形心之間用剛性連接；樁頂與橫梁形心采用剛性連接；假定橫梁和縱梁面板之間的連接為固結(jié)，樁底按彈性嵌固的方式考慮。

加載方式：船舶撞擊力加在加固排架的橫梁處，上部面板承擔(dān)堆貨荷載，并通過縱梁傳遞給橫梁，系纜力通過系船墩加載在排架上，門機(jī)荷載直接作用在軌道梁上，并傳遞給橫梁和下部的樁基。建立的高樁碼頭平面有限元模型如圖2所示。

2.3 高樁碼頭空間有限元模型的建立

用ANSYS有限元設(shè)計(jì)軟件建立空間有限元模型，利用空間有限單元法進(jìn)行計(jì)算。使用shell63單元模擬碼頭面板，使用beam188單元模擬橫縱梁以及樁，分別定義碼頭各部分材料屬性，橫縱梁采用C40鋼筋混凝土，面板采用C25鋼筋混凝土，原有樁基采用C60鋼筋混凝土，加固工程采用的PHC管樁為C80鋼筋混凝土。由于碼頭模型在縱向上具有規(guī)律性，所以建模過程采用局部建模方法，即先建立局部模型，再?gòu)?fù)制局部模型生成整體模型。為了保證所有節(jié)點(diǎn)能夠共同受力，相互耦合，用MERGE關(guān)鍵點(diǎn)的方法將樁與橫梁，橫梁和縱梁，以及縱梁和面板相互接觸的部位連接起來，使碼頭結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體。

加載方式：對(duì)樁計(jì)算嵌固點(diǎn)深度處施加全約束，對(duì)整個(gè)碼頭施加重力加速度，在靠泊點(diǎn)處施加撞擊力和系纜力等集中力。在軌道梁上加載裝卸機(jī)械流動(dòng)荷載，并在面板上施加均布荷載來模擬堆貨的情況。建立的高樁碼頭空間有限元模型如圖3所示。

圖2 高樁碼頭平面有限元模型Fig.2 Plane finite element model of high?pile wharf

圖3 高樁碼頭空間有限元模型Fig.3 Space finite element model of high?pile wharf

3 兩種計(jì)算方法的比較

3.1 碼頭荷載

根據(jù)設(shè)計(jì)船型，按照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）［7］有關(guān)規(guī)定計(jì)算撞擊力、船舶系纜力等船舶荷載。碼頭荷載選取時(shí)按最不利情況來計(jì)算，得出碼頭在較危險(xiǎn)情況下的受力情況。

3.1.1 船舶撞擊力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，原碼頭H500D型護(hù)舷不能滿足2萬t級(jí)船舶的靠泊要求，須將碼頭護(hù)舷改造為Ф1 200 mm圓筒型護(hù)舷。

3.1.2 船舶系纜力

根據(jù)風(fēng)和水流最不利工況進(jìn)行組合，系纜力計(jì)算結(jié)果見表3。

3.1.3 均布荷載

兩軌之間10 kN/m2，其余部位20 kN/m2。

3.1.4 流動(dòng)荷載：

近期為10 t-30 m門機(jī)；遠(yuǎn)期為3 000 t/h裝船機(jī)；流動(dòng)荷載按3 000 t/h裝船機(jī)進(jìn)行計(jì)算：軌距15 m，基距12 m，6輪/腿，輪距0.765 m，最大輪壓300 kN/輪。

3.2 樁基內(nèi)力比較分析

平面有限元和空間有限元兩種計(jì)算方法下，四種組合對(duì)應(yīng)所計(jì)算的最大軸力比較以及空間有限元軟件計(jì)算的加固與非加固排架樁軸力最大值比較見表4。

表2 船舶撞擊力計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of ship impact force

表3 船舶系纜力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of ship′s mooring force

表4 兩種計(jì)算方法對(duì)應(yīng)樁軸力計(jì)算結(jié)果Tab.4 Results of pile′s axial force calculated with two methods

通過表4的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，使用平面有限元軟件和空間有限元軟件對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，兩種方法計(jì)算的最大樁軸力的結(jié)果相差不大，數(shù)值上的差值在5%的范圍內(nèi)，可以看出兩者對(duì)于上部豎向荷載的分配比較接近。但空間有限單元法對(duì)于不同排架的樁力結(jié)果也有很好的反映，更能體現(xiàn)出加固排架與非加固排架的內(nèi)力差異?？梢钥闯?，由于新增系靠船點(diǎn)，大型船舶所帶來的超過原有設(shè)計(jì)的荷載被加固排架的樁基很好的承擔(dān)，加固排架樁力和非加固排架的樁力兩者的差值在60%～110%的范圍，由于加固樁剛度大于普通樁基，加固排架的樁力要顯著高于非加固排架。

3.3 上部結(jié)構(gòu)橫梁內(nèi)力比較分析

平面有限元和空間有限元兩種計(jì)算方法下，四種組合對(duì)應(yīng)所計(jì)算的橫梁的最大彎矩值和最大剪力值見表5。

表5 兩種計(jì)算方法對(duì)應(yīng)橫梁彎矩及剪力計(jì)算結(jié)果Tab.5 Results of beam′s bending moment and shear calculated with two methods

通過表5的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，使用平面有限元計(jì)算軟件對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)段進(jìn)行橫梁內(nèi)力分析時(shí)，將碼頭結(jié)構(gòu)段所受的荷載按經(jīng)驗(yàn)方法分配到每一榀橫向排架上，把空間問題簡(jiǎn)化為平面排架問題進(jìn)行研究，這種荷載分配方式使得每榀排架所受的荷載比實(shí)際承受的荷載大，因此計(jì)算得到的每榀排架中的橫梁內(nèi)力比實(shí)際內(nèi)力值大。而使用空間有限元計(jì)算軟件對(duì)碼頭進(jìn)行計(jì)算時(shí)，從空間整體性的角度進(jìn)行分析，較為真實(shí)地模擬實(shí)際荷載作用下每榀橫向排架不同的受力狀況，可以看出，空間有限單元法計(jì)算的結(jié)果基本小于平面有限單元法的結(jié)果。

4 主要結(jié)論

（1）高樁碼頭加固改造工程按平面和空間兩種計(jì)算方法在同一荷載組合情況下計(jì)算所得的樁基內(nèi)力比較接近，說明對(duì)于豎向荷載作用下樁基內(nèi)力分配問題，平面有限單元法和空間有限單元法的處理方法比較接近。

（2）平面和空間兩種計(jì)算方法對(duì)橫梁內(nèi)力差異較大。荷載的大小、分布方式、作用點(diǎn)位置對(duì)橫梁的內(nèi)力有很大的影響；高樁碼頭加固改造工程按平面和空間兩種計(jì)算方法計(jì)算在同一荷載組合下橫梁內(nèi)力時(shí)，由于平面有限單元法將碼頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面排架問題，所有荷載簡(jiǎn)化后均作用在橫向排架上，而空間有限單元法則從空間整體性考慮，比較真實(shí)的反映了荷載作用情況，因此兩種計(jì)算方法對(duì)橫梁內(nèi)力差異較大。

（3）平面有限單元法設(shè)計(jì)的高樁碼頭加固結(jié)構(gòu)一般偏向安全保守，按照這種方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)承載能力有較多的富余，但是對(duì)于復(fù)雜荷載組合情況下的構(gòu)件內(nèi)力分析并不足夠準(zhǔn)確。空間有限單元法從空間整體角度分析結(jié)構(gòu)，其求得的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力值通常比較接近實(shí)際構(gòu)件內(nèi)力情況，用這種方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)，但是建模求解相對(duì)繁瑣。因此對(duì)于比較重要的、工程量較大的高樁碼頭加固改造工程，建議在確定加固改造方案階段采用平面有限元法進(jìn)行計(jì)算分析；在進(jìn)行主要構(gòu)件內(nèi)力分析與配筋時(shí)，可以對(duì)推薦方案進(jìn)行空間有限元分析。這樣既可發(fā)揮平面有限元軟件在建模簡(jiǎn)易和計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，也可充分發(fā)揮空間有限元軟件計(jì)算特點(diǎn)，合理確定內(nèi)力，節(jié)約工程造價(jià)。

［1］華曉敏，周曉春，李增光.鎮(zhèn)江港大港港區(qū)2#-5#泊位碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程設(shè)計(jì)［J］.水運(yùn)工程，2011（10）：71-75. HUA X M，ZHOU X C，LI Z G.Strengthening design of berths No.2～No.5 of Dagang port district in Zhenjiang port［J］.Port&Wa?terway Engineering，2011（10）：71-75.

［2］陳秀瑛，范平易.長(zhǎng)江石化碼頭結(jié)構(gòu)的升級(jí)改造設(shè)計(jì)［J］.水運(yùn)工程，2011（11）：129-132. CHEN X Y，F(xiàn)AN P Y.Design of structure upgrade on petrochemical wharf in the Yangtze River［J］.Port&Waterway Engineering，2011（11）：129-132.

［3］王軒.天津港老舊碼頭加固和加深改造［J］.港工技術(shù)，2011（1）：29-31. WANG X.Consolidation and Deepening Renovation of Old Berth in Tianjin Port［J］.Port Engineering Technology，2011（1）：29-31.

［4］王婷婷，陳振民，何文欽.高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的空間有限元分析［J］.水運(yùn)工程，2009（7）：118-123. WANG T T，CHEN Z M，HE W Q.Spatial finite element method applied in beam?slab high?pile wharf′s structural design［J］.Port &Waterway Engineering，2009（7）：118-123.

［5］交通運(yùn)輸部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)（中冊(cè)）［M］.北京：人民交通出版社，1994.

［6］JTS 167-4-2012，港口工程樁基規(guī)范［S］.

［7］JTS 144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范［S］.

Comparative analysis of calculation methods for reinforcement and reconstruction of high?pile wharf

GONG Wei?jie1，TAO Gui?lan1，ZHOU Yu2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering，Hohai University,Nanjing 210098,China；2.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co.Ltd.,Nanjing 210006,China）

A project,which is a high?pile wharf being reconstructed and reinforced in Jiangsu,can be an exam?ple to be analyzed by plane and space finite element models separately and the internal forces of the reconstructed wharf were calculated under different loading combinations.The conclusions of the research show that:（1）Based on the results of plane and space calculation methods,the pile internal forces in the reconstructed and reinforced high?pile wharf approximate to each other under the same loading combination.（2）The plane finite element model makes all the loads assumed to act on the transverse bents after the simplification.However,the space finite ele?ment model can be loaded by the real loading distribution.Therefore,a great difference exists in the results of beam internal forces due to the two calculation methods.（3）According to the characteristics of the plane and space finite element calculation method,for the more important and large quantities of reinforcement and reconstruction project, the plane finite element method is suggested to use for the project plan,and it is suggested to use the space finite element method to analyze the internal force and arrange reinforcements of main components.

high?pile wharf;reinforcement and reconstruction;finite element;space finite element;calcula?tion methods

U 656.1+13

A

1005-8443（2016）03-0279-05

2015-11-02；

2016-01-18

龔偉杰（1991-），男，福建省莆田市人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海工程研究。

Biography：GONG Wei?jie（1991-），male，master student.