長分段高樁碼頭設(shè)計的優(yōu)化探討

徐明磊，鄒建強

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

引 言

國內(nèi)高樁碼頭通常采用短分段結(jié)構(gòu)，碼頭分段一般為50～80 m，遠遠低于國際上（歐美、印度）高樁碼頭的分段長度（最長達300～450 m）。長分段碼頭比傳統(tǒng)短分段碼頭樁基數(shù)量更少，而由于分段較長，如果更合理地布置樁基結(jié)構(gòu)，尤其是邊排架的樁基布置形式研究，對減少造價、提高碼頭結(jié)構(gòu)的水平力抵抗性能、為該類碼頭如何進行優(yōu)化設(shè)計具有一定借鑒意義。

本文以巴基斯坦某長分段高樁碼頭為例，采用三維有限元計算軟件SAP 2000分析計算樁內(nèi)力，分別通過全直樁、邊排架加密、部分叉樁以及邊排架加寬四種模式，探討分析該類型碼頭設(shè)計方法。

1 模型建立與分析

1.1 工程概況

碼頭采用梁板式結(jié)構(gòu)，碼頭頂面高程 5.5 m，前沿底高程-12.5 m，碼頭總長214 m，共1個結(jié)構(gòu)段。排架間距9 m，標準排架斷面有4根樁，樁型為PHC 1200 B型樁，碼頭的典型設(shè)計斷面如圖1。

圖1 碼頭典型斷面示意

1.2 建模思路與步驟

本文的整個建模思路見圖2，通過對比全直樁、邊排架加密、部分叉樁以及邊排架加寬四種模式下樁內(nèi)力計算結(jié)果，并引入增加成本控制變量，分析不同設(shè)計優(yōu)化方法下成本增加量，探討不同設(shè)計思路有效性和可行性。

圖2 模型構(gòu)建思路

1.3 建立長分段高樁模型

本文首先基于SAP 2000三維有限元計算軟件，建立全直樁M1、邊排架加密M2、部分叉樁M3以及邊排架加寬M4共4個模型，其中邊排加密M2是在全直樁模型 M1基礎(chǔ)上將邊排架間距改為4.5 m，共增加16根樁，部分叉樁模型M3是將排架中間兩根樁改為叉樁并增加8根樁，邊排加寬模型M4是在M1基礎(chǔ)上將邊排架加寬10 m并增加12根樁。樁和梁采用梁單元，面板采用殼單元，梁、樁、板之間剛性連接，模型見圖3。

圖3 長分段高樁模型

2 模型結(jié)構(gòu)對比分析研究

為便于精準分析研究樁內(nèi)力結(jié)果，本文將整個結(jié)構(gòu)段所有樁作為一組，用于模型計算的荷載組合為永久荷載+撞擊力+均載+波浪力，計算結(jié)果見表1～表3。從計算結(jié)果可知部分叉樁模型M3能明顯降低樁的彎矩、剪力、扭矩和位移，降低率達70 %以上，但是會增加樁的軸力，而對于邊排加密模型M1和邊排加寬模型M4兩種優(yōu)化設(shè)計思路，對樁彎矩、剪力、扭矩和位移有較明顯的減小，但是不能明顯降低軸力。

表1 M2模型的內(nèi)力計算結(jié)果

表2 M3模型的內(nèi)力計算結(jié)果

表3 M4模型的內(nèi)力計算結(jié)果

根據(jù)當(dāng)?shù)厥┕l件，結(jié)合概算綜合單價，三種設(shè)計思路的成本增加值見表4。

表4 三種設(shè)計思路相對于原案的增加成本

為研究單位成本下，各種優(yōu)化設(shè)計思路有效性，本文將樁內(nèi)力計算結(jié)果的減小率除以對應(yīng)優(yōu)化設(shè)計增加的成本，從而確定邊排加密、部分叉樁和邊排加寬三種模型優(yōu)化設(shè)計有效性，見圖4。從圖中可以看出引入成本控制后，部分叉樁模型M3的設(shè)計思路更具優(yōu)勢，其次為邊排架加密的設(shè)計理念。

圖4 引入成本變量的三種優(yōu)化設(shè)計思路比較

3 結(jié) 語

本文基于長分段高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計項目，總結(jié)項目設(shè)計過程中基于原案設(shè)計無法滿足結(jié)構(gòu)要求情況下提出邊排加密、部分叉樁和邊排加寬三種可行的優(yōu)化設(shè)計思路，為長分段高樁碼頭優(yōu)化設(shè)計提供參考借鑒。

1）在低地震區(qū)域，將部分直樁變?yōu)椴鏄赌苊黠@降低樁的彎矩、剪力、扭矩和位移，但是會增加樁的壓樁力和拔樁力。

2）部分叉樁設(shè)計思路在單位成本控制下，相對邊排加密和邊排加寬更具優(yōu)勢。

3）相對于邊排架加密，邊排加寬設(shè)計方式在單位成本控制下，不具優(yōu)勢，如非功能需求等需增加碼頭面積，不建議采用。

4）對于長分段高樁碼頭，尤其是高地震區(qū)域，叉樁結(jié)構(gòu)無法采用，將端部幾個排架加密或者加寬，將大大減少樁基數(shù)量，節(jié)省造價。

5）隨著全球港口水運行業(yè)競爭日趨激烈，不斷總結(jié)項目設(shè)計施工中的經(jīng)驗會為國內(nèi)設(shè)計院在國際投標中更具優(yōu)勢和競爭力。