鋼管樁組合板樁碼頭結(jié)構(gòu)施工期特性

周鑫，程澤坤，郝嘉凌

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

鋼管樁組合板樁碼頭結(jié)構(gòu)施工期特性

周鑫1，程澤坤2，郝嘉凌1

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

鋼管樁組合板樁碼頭結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確把握該結(jié)構(gòu)施工期的變位特性是保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、適用的前提。文中利用有限元分析方法對(duì)該結(jié)構(gòu)施工的主要工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到施工期最大沉降為9.23 cm，結(jié)構(gòu)最大位移-4.44 cm發(fā)生在泥面附近，最大彎矩值為7 525 kN·m；對(duì)回填塊石的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，敏感度塊石最高，泊松比次之，彈性模量最小。對(duì)于沉降而言，彈性模量和泊松比增加會(huì)引起沉降減小，重度相反，對(duì)于位移和彎矩而言，彈性模量增加會(huì)引起其減小，重度和泊松比相反。研究成果可為了解把握該新型結(jié)構(gòu)的特性提供參考。

鋼管樁組合板樁碼頭結(jié)構(gòu)；施工期；結(jié)構(gòu)特性；敏感性分析

0 引言

傳統(tǒng)的錨碇板樁結(jié)構(gòu)憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工便捷、耗材少、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)在中、小碼頭和駁岸工程中得到較為普遍的應(yīng)用。隨著碼頭前沿水深的不斷加大，板樁墻填土高差超過(guò)了20 m以上，傳統(tǒng)的板樁結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以適應(yīng)，因此圍繞著傳統(tǒng)板樁碼頭的創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，如板樁+卸荷平臺(tái)結(jié)構(gòu)、遮簾式板樁結(jié)構(gòu)等[1-4]。

本文將介紹另一種在傳統(tǒng)板樁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研發(fā)的新型結(jié)構(gòu)，即鋼管樁組合板樁碼頭結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 鋼管樁組合板樁結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1Cross section of the steel tubular-sheet pile combined structure

該結(jié)構(gòu)形式能夠有效地解決板樁碼頭適應(yīng)大型化、深水化的問(wèn)題，同時(shí)，憑借國(guó)內(nèi)鋼材市場(chǎng)價(jià)格優(yōu)勢(shì)，利用該結(jié)構(gòu)能夠有效地降低工程造價(jià)[5]。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是準(zhǔn)確把握施工期結(jié)構(gòu)的變位特性，以保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和適用性。本文將利用有限元分析方法對(duì)該結(jié)構(gòu)施工的主要工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同的施工步驟對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)回填塊石的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，可為相關(guān)人員了解把握該新型結(jié)構(gòu)的特性提供參考。

1 工程背景

某碼頭工程中采用了鋼管樁組合板樁碼頭結(jié)構(gòu)形式[6]，結(jié)構(gòu)斷面如圖1，碼頭前沿設(shè)計(jì)水深-17.5 m，碼頭面高程5.36 m。

碼頭前板樁墻為φ2 050 mm、壁厚24 mm鋼管樁和AZ12-700型鋼板樁組合的形式，見(jiàn)圖2；后排樁為φ2 050 mm、壁厚24 mm鋼管樁，前、后排鋼管樁兼作軌道梁基礎(chǔ)承受裝卸橋豎向荷載，軌距為30 m。前、后排鋼管樁之間通過(guò)φ100 mm GLG550鋼拉桿連接，間距3.5 m，兩根1組。

圖2 鋼管樁組合板樁結(jié)構(gòu)體系Fig.2Structural system of the combined structure

該結(jié)構(gòu)施工的一般順序?yàn)椋?）沉入前、后排鋼管樁，并在前排鋼管樁之間安裝Z形鋼板樁；2）鋼管板樁墻后回填；3）安裝拉桿；4）回填至碼頭面標(biāo)高；5）安裝碼頭附屬設(shè)施；6）泊位疏浚。

2 研究模型及模擬工況

PLAXIS是由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的巖土分析有限元軟件，具有強(qiáng)大的巖土工程分析能力，能夠模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，并具有對(duì)土體進(jìn)行加載和卸載分析的能力，能夠較好地分析施工過(guò)程對(duì)板樁碼頭結(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到各種復(fù)雜的巖土工程項(xiàng)目的有限元分析中[7]。

板樁碼頭施工期的變位是關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)PLAXIS軟件進(jìn)行數(shù)值分析，利用PLAXIS強(qiáng)大的巖土分析能力和分步施工功能，既可對(duì)每個(gè)施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形有所把握，又能得到各個(gè)不同的施工過(guò)程結(jié)構(gòu)與土體的相互作用情況。

在此結(jié)構(gòu)體系中，由于鋼管樁和鋼板樁的抗彎剛度有著數(shù)量級(jí)的差距，鋼板樁所能分擔(dān)的彎矩非常有限，鎖扣能夠協(xié)調(diào)變形且具有很高的連接強(qiáng)度。故簡(jiǎn)化所有水平力荷載均由鋼管樁承受，鋼板樁與鎖扣協(xié)調(diào)在一起水平向地傳遞土壓力，簡(jiǎn)化為二維平面模型進(jìn)行計(jì)算[8]。

通過(guò)試算確定對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力無(wú)明顯影響的土體計(jì)算范圍：豎向深度取至-55 m高程，豎向高度為5.36 m。水平方向以前板樁墻為基線，向海側(cè)延伸至45 m處，向陸側(cè)延伸至100 m處，見(jiàn)圖3。

前、后排樁采用板單元模擬，土體用15節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬，拉桿采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元模擬，土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，土體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 有限元模型Fig.3Finite element model

表1 土層參數(shù)表Table 1Soil parameters

回填塊石采用線彈性模型，重度17 kN/m3，彈性模量E=80 MPa，泊松比v=0.25。

強(qiáng)風(fēng)化巖層采用線彈性模型，重度為19.5 kN/m3，彈性模量150 MPa，泊松比取0.3。

鋼管樁采用板單元模擬：E=206 GPa，I= 0.078 4 m4，A=0.152 8 m2，前排樁間距為3.5 m，后排樁間距為5.1 m，計(jì)算時(shí)分別取用每延米的數(shù)據(jù)。

拉桿材料類(lèi)型為彈性，EA=3.236×106kN，間距設(shè)置為3.5 m。

模擬工況：

施工期：工況1至4分別對(duì)應(yīng)圖1中各次拋填塊石；工況5對(duì)應(yīng)圖1中分層回填碾壓塊石；工況6，碼頭前沿從-16 m疏浚至-18 m水深（考慮0.5 m挖泥超深）。

使用期：工況7，前軌輪壓90 t/輪，后軌輪壓70 t/輪，面部均載30 kPa。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 沉降

施工期各工況沉降值如表2所示，典型的豎向位移Uy云圖如圖4所示。

表2 沉降統(tǒng)計(jì)表Table 2Result of settlement

從位移云圖中可以看出沉降主要發(fā)生的位置位于回填塊石區(qū)域的上部，最大沉降為9.23 cm，隨著施工過(guò)程的繼續(xù)呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。從沉降結(jié)果中發(fā)現(xiàn)：使用期的沉降量只有施工期沉降的13.96%，故施工期的沉降為主要沉降，需要重點(diǎn)關(guān)注。工況5對(duì)沉降的影響較其他過(guò)程相對(duì)明顯，沉降的增量較大。碼頭施工結(jié)束后可通過(guò)繼續(xù)回填塊石以解決沉降問(wèn)題。

3.2 前后排樁位移和彎矩

典型的前后排板樁墻水平位移Ux如圖5所示，主要工況位移結(jié)果見(jiàn)表3，彎矩如圖6、圖7。

圖4 工況5豎向位移云圖Fig.4Verticaldisplacementnephogramofworkcondition5

圖5 工況6前、后排樁水平位移Fig.5Horizontal displacement result of piles in work condition 6

表3 結(jié)構(gòu)位移統(tǒng)計(jì)表Table 3Statistical table of structural displacement

圖6 前排樁彎矩圖Fig.6Distribution of bending moment of forward piles

圖7 后排樁彎矩圖Fig.7Distribution of bending moment of back piles

從前、后排樁的水平位移圖中可以看出其變形的趨勢(shì)：前排鋼管樁在后方陸域回填的過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)頂部向海側(cè)方向發(fā)生位移的趨勢(shì)，最大位移處與施工步驟相關(guān)，前3個(gè)工況位移最大處位于樁頂，后4個(gè)工況位移最大處位于泥面附近，最大值為4.44 cm。后排鋼管樁由于受到后方大規(guī)?；靥钭饔梦灰凭蚝?cè)，最大值為3.25 cm。前、后排鋼管樁使用期的最大位移分別為施工期的22.07%和20.31%，故應(yīng)重點(diǎn)考慮施工期的結(jié)構(gòu)位移。

從前、后排樁的彎矩圖中可以看出施工過(guò)程對(duì)彎矩的影響較大。從圖6中看出：第4次回填隨著墻后塊石產(chǎn)生的側(cè)向壓力，彎矩有較大的增加；最大負(fù)彎矩發(fā)生在工況7泥面處，值為7 525 kN·m，最大正彎矩發(fā)生在工況7中樁身-27 m高程處，值為3 672 kN·m。從圖7中看出：工況3和4的彎矩變化較大，由于工況4中前排樁墻后發(fā)生了回填，彎矩較工況3有較大的減少；最大負(fù)彎矩發(fā)生在工況7中樁身-15 m高程處，值為4 082 kN·m，最大正彎矩發(fā)生在工況7中樁身-26 m高程處，值為3 524.1 kN·m。

3.3 回填塊石敏感性分析

由于回填塊石參數(shù)取值對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響程度并不能準(zhǔn)確把握，故針對(duì)回填塊石的參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。

塊石的參數(shù)主要有重度、彈性模量和泊松比，本階段研究主要通過(guò)分別增加上述參數(shù)的比例，分析其對(duì)沉降、彎矩及位移的敏感度。本階段研究主要針對(duì)施工期最后一個(gè)工況（工況6）進(jìn)行，結(jié)果如表4、表5所示。

表4 沉降量敏感性分析參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 4Parameters of settlement sensitivity analysis

表5 前、后鋼管樁位移敏感性分析統(tǒng)計(jì)表Table 5Displacement sensitibity analysis of forward and back steel-pipe piles

從表4中可以看出彈性模量和泊松比的增加均會(huì)引起沉降量的減小。彈性模量每增加20%，沉降量分別減少0.73 cm和0.53 cm；泊松比每增加20%，沉降量分別減少0.22 cm和0.31 cm；重度每減少和增加1 kN/m3，沉降量分別減少0.87 cm和增加0.87 cm。故對(duì)沉降敏感度最高的是塊石重度，其次是彈性模量，泊松比的影響最小。

從表5中可以看出塊石重度和泊松比的增加會(huì)引起前、后排樁的位移增加，而彈性模量的增加會(huì)引起位移的減小。塊石重度減小1 kN/m3，前、后排樁位移分別減少了0.62 cm和0.41 cm；塊石重度增加1 kN/m3，前、后排樁位移分別增加了0.41 cm和0.36 cm。泊松比每增加20%，前排樁位移分別增加了0.87 cm和1.17 cm，后排樁位移分別增加了0.44 cm和0.53 cm。彈性模量每增加20%，前排樁位移分別減少了0.1 cm和0.08 cm，后排樁分別減少了0.26 cm和0.17 cm。從結(jié)果中看出對(duì)位移敏感度最高的是塊石重度，其次是泊松比，彈性模量的影響最小。

通過(guò)分析各參數(shù)下前、后排樁彎矩的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：塊石彈性模量每增加20%會(huì)引起前排樁的最大負(fù)彎矩分別減少208.64 kN·m和148.35 kN·m，最大正彎矩變化很??；后排樁最大正彎矩分別減少158.2 kN·m和155.85 kN·m，負(fù)彎矩影響較小。塊石泊松比每增加20%，對(duì)前排樁最大負(fù)彎矩的值影響較小，主要在于其作用的位置逐漸向上移動(dòng)，最大正彎矩分別增加了894.76 kN·m和839.48 kN·m；對(duì)后排樁的影響較大，泊松比每增加20%，最大負(fù)彎矩分別增加了638.62 kN·m和685.58 kN·m，最大正彎矩分別增加了481.13 kN·m和512.76 kN·m。塊石重度每增加1 kN/m3，前排樁最大負(fù)彎矩分別增加488.58 kN·m和437.98 kN·m，最大正彎矩分別增加425.7 kN·m和742.3 kN·m；后排樁最大負(fù)彎矩分別增加428.85 kN·m和489.9 kN·m，最大正彎矩分別增加328.6 kN·m和381.34 kN·m。從結(jié)果中看出對(duì)彎矩敏感度最高的是塊石重度，其次是泊松比，彈性模量的影響最小。

4 結(jié)語(yǔ)

1）從鋼管樁組合板樁碼頭結(jié)構(gòu)工程案例分析來(lái)看，其施工期結(jié)構(gòu)的變位量遠(yuǎn)大于營(yíng)運(yùn)期，彎矩受到施工步驟的影響也較為明顯，因此，鋼管樁組合板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)重視對(duì)施工期結(jié)構(gòu)變位特性的把握。

2）前排樁在整個(gè)施工過(guò)程中彎矩變化較大，最大位移處位于泥面附近，方向朝向海側(cè)，最大負(fù)彎矩發(fā)生在工況7中，為7 525 kN·m，位置在泥面處，最大正彎矩發(fā)生在工況7中，為3 672 kN·m，位置在約-27 m高程處。

整個(gè)過(guò)程的后排樁彎矩變化較大，最大位移在-9 m附近，方向朝向海側(cè)，最大負(fù)彎矩在工況7出現(xiàn)，為4 082 kN·m，位置在-15 m高程處；最大正彎矩在工況7出現(xiàn)，為3 524.1 kN·m，位置在-26 m高程處。

3）對(duì)于回填塊石的重度、彈性模量和泊松比進(jìn)行敏感性分析表明，塊石重度對(duì)沉降、前后排樁的彎矩及位移均較為敏感，因此在設(shè)計(jì)中，應(yīng)慎重選擇塊石的重度。

塊石的彈性模量參數(shù)增加會(huì)引起彎矩減少，泊松比和塊石重度的增加會(huì)引起彎矩增大。敏感性塊石最高，泊松比次之，彈性模量最小。

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Structure characteristics of steel tubular-sheet pile combined wharf during construction period

ZHOU Xin1,CHENG Ze-kun2,HAO Jia-ling1
（1.Colleage of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Steel tubular-sheet pile combined structure is a new wharf structure,mastering whose characteristics of deformation and displacement during construction period is the premise of ensuring the safety and applicability of the structure design.We use finite element analysis methods to simulate the main working conditions in different construction steps.The results show that the maximum settlement is 9.23 cm,the maximum deformation is 4.44 cm and the maximum bending moment is 7 525 kN·m of the structure.The sensitive analysis of the parameters of backfill stone shows that the most sensitive parameter is unit weight, the second is Poisson's ratio,and the least one is elasticity modulus.For settlement,with the increase of Poisson's ratio and elasticity modulus the results will decrease,unit weight is opposite.For deformation and bending moment,with the increase of elasticity modulus the results will dencrease too,but unit weight and Poisson's ratio is opposite.This paper provides references for related people to learn the new structure.

steel tubular-sheet pile combined wharf structure;construction period;structure characteristics;sensitivity analysis

U656.112

A

2095-7874（2017）05-0023-05

10.7640/zggwjs201705006

2016-10-09

2016-12-14

周鑫（1993—），男，江蘇泰州人，碩士研究生，港口、海岸及近海工程專(zhuān)業(yè)。E-mail：845432842@qq.com