新型帶有水平撐的全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

楊 武，姚祎雯，趙 凱

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

目前，國內(nèi)外常用的高樁碼頭形式包括全直樁和帶有叉樁的碼頭結(jié)構(gòu)。帶有叉樁的高樁碼頭結(jié)構(gòu)可以抵抗碼頭水平力，減少結(jié)構(gòu)使用期間的水平位移，結(jié)構(gòu)受力合理，但是叉樁施工困難，尤其是在外海風(fēng)浪條件惡劣環(huán)境下，施工周期長、風(fēng)險(xiǎn)大、造價(jià)高[1]。全直樁碼頭具有抗震能力強(qiáng)、施工簡單、結(jié)構(gòu)造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，但是碼頭水平承載能力弱，使用期間的水平位移大，因此嚴(yán)重制約了全直樁碼頭的使用。近年來，隨著碼頭走向深海，外海開敞式高樁碼頭的規(guī)模也在增加，如何縮短高樁碼頭施工期，降低施工難度，減少工程造價(jià)就顯得尤為重要。葛曉丹對(duì)比研究了一種加斜撐的全直樁碼頭，結(jié)果表明適當(dāng)增加斜向支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度具有顯著影響[2]。

本文以某工程為例，提出一種水平撐與全直樁相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，并通過不同方案對(duì)比研究水平撐的層數(shù)以及斜撐的布設(shè)情況對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力特性的影響，以探討該種結(jié)構(gòu)在外海中的適用性。

1 工程概況

某工程工作平臺(tái)尺寸為23.7 m×31.4 m。每個(gè)工作平臺(tái)由16根直樁、4組水平撐組成。平臺(tái)上設(shè)置2個(gè)SCN2500 F1.5橡膠護(hù)舷以及2個(gè)快速脫纜鉤，對(duì)稱布置，雙側(cè)靠泊，平臺(tái)斷面見圖1。該工程所處地質(zhì)表層存在交替出現(xiàn)的厚度不等的黏土和砂，下方為中等風(fēng)化的膠結(jié)黏土或砂，底層為泥巖和頁巖。本文對(duì)通過5種情況進(jìn)行對(duì)比分析以探討該種全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的適用性。1)工況1：單純?nèi)睒督Y(jié)構(gòu)；2)工況2：全直樁加1層水平撐結(jié)構(gòu)；3)工況3：全直樁加2層水平撐結(jié)構(gòu)；4)工況 4：全直樁加2層水平撐以及斜撐結(jié)構(gòu)(圖1)；5)工況5：在工況4的基礎(chǔ)上2號(hào)和3號(hào)樁基也通過橫撐和斜撐相連，形成整體相連結(jié)構(gòu)。

圖1 工況4工作平臺(tái)斷面

2 計(jì)算模型

2.1 模型的建立

采用有限元軟件建立三維模型進(jìn)行分析，模型中梁樁等采用梁單元模擬，面板采用殼單元模擬，土體用土彈簧模擬，其彈簧剛度采用P-Y曲線法進(jìn)行計(jì)算，泥面以下的基樁上設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置2個(gè)垂直于樁身的彈簧，用以模擬水平荷載作用下的樁土相互作用，樁端固接。

2.2 荷載的施加

該碼頭設(shè)計(jì)船型為12萬DWT的集裝箱船，計(jì)算船舶撞擊力(組合編號(hào)BL)為5 653 kN，船舶系纜力(組合編號(hào)ML)為1 500 kN。分別對(duì)比分析不同荷載作用下結(jié)構(gòu)所發(fā)生的最大位移和樁基最大內(nèi)力情況[3-4]。

3 水平力作用下不同結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比分析

3.1 對(duì)平臺(tái)水平位移的影響

分別比較系纜力和撞擊力作用下5種方案中工作平臺(tái)的水平位移值，結(jié)果見表1和圖2。

表1 水平位移值對(duì)比

圖2 BL和ML作用下不同工況位移對(duì)比

從表1和圖2可以看出：1)全直樁加單層水平撐工況(工況2)與全直樁工況(工況1)相比，位移減少了43%；2)全直樁加雙層水平撐工況(工況3)與全直樁工況(工況1)相比，位移減少了56%；3)全直樁加水平撐以及斜撐工況(工況4)與全直樁工況(工況1)相比，相同荷載作用下結(jié)構(gòu)位移減少了80%；4)所有樁基都通過橫撐和斜撐相連(工況5)與工況4相比，位移基本無變化。

綜上所述，該種帶有水平撐的全直樁碼頭結(jié)構(gòu)對(duì)抵抗水平力作用具有顯著效果，采用水平撐的層數(shù)以及層間是否采用斜桿連接對(duì)結(jié)構(gòu)位移有顯著影響，2、3號(hào)樁之間加設(shè)水平撐和斜撐對(duì)結(jié)構(gòu)位移基本無影響。

3.2 對(duì)樁基最大內(nèi)力的影響

為了對(duì)比不同方案的受力情況，統(tǒng)計(jì)在ML和BL作用下，不同方案的最大彎矩和最大軸力，結(jié)果見表2和圖3。

表2 樁基內(nèi)力對(duì)比

圖3 BL作用下不同工況主樁內(nèi)力對(duì)比

從表2和圖3可以看出：1)工況2與工況1相比，彎矩減小了34%，軸力增加了24%；2)工況3與工況1相比，彎矩減少了46%，軸力增加50%；3)工況4與工況1相比，彎矩減少了48%，軸力增加了60%；4)工況5與工況4相比，內(nèi)力基本無變化?？梢姡?、3號(hào)樁之間的撐對(duì)內(nèi)力優(yōu)化并未起到多大作用。

綜上所述，該種帶有水平撐的全直樁結(jié)構(gòu)對(duì)提高平臺(tái)整體剛度具有顯著的效果。雙層水平撐平臺(tái)(加斜撐)能減少55%的彎矩，這對(duì)工程方案選擇具有很大的指導(dǎo)意義。同時(shí)，斜撐對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力也有很大影響，并且根據(jù)工況5可知，所有樁基均用橫撐和斜撐相連并不可取，對(duì)內(nèi)力優(yōu)化并無顯著影響。

3.3 對(duì)結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分布的影響

以撞擊力作用為例，不同工況下工作平臺(tái)單排4根樁的最大彎矩值用以研究該新型結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。圖4給為BL作用下不同工況的樁基內(nèi)力分布對(duì)比。

圖4 BL作用下不同工況的樁基內(nèi)力分布對(duì)比

(1)

式中：γ為撞擊力作用下工作平臺(tái)樁基內(nèi)力的比值；M1代表1號(hào)樁的彎矩，M代表實(shí)際樁號(hào)的彎矩。

從圖4可以看出，全直樁情況下，彎矩分布比較均勻，整體一起受力，所有樁基內(nèi)力均較大。安裝有水平撐后，彎矩均顯得比較均勻，帶有單層水平撐和雙層水平撐(無斜撐)主樁彎矩之間相差15%左右；工況4情況下，最大樁力出現(xiàn)在1號(hào)樁和3號(hào)樁上，對(duì)于每組水平撐內(nèi)側(cè)的樁，即2號(hào)和4號(hào)，最大彎矩約減小了20%，此部分樁基在實(shí)際工程應(yīng)用中可以考慮一定的優(yōu)化空間，工況5與工況4情況相比基本無變化，可見2號(hào)樁和3號(hào)樁之間用橫撐和斜撐相連對(duì)內(nèi)力優(yōu)化并無效果。

4 結(jié)論

1)該新型帶有水平撐的全直樁結(jié)構(gòu)對(duì)于增加結(jié)構(gòu)水平剛度具有很好的效果，單層水平撐、雙層水平撐、斜撐對(duì)位移限制均有較好的效果。

2)該結(jié)構(gòu)可有效減少樁基最大內(nèi)力，在一些斜樁沉樁困難以及沉樁風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)，可考慮采用該新型結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。

3)帶有雙層水平撐的全直樁碼頭結(jié)構(gòu)有無斜撐對(duì)內(nèi)力影響并不顯著，主要起限制變形的作用，在一些位移限制要求不高的工程項(xiàng)目中，可以考慮取消斜撐以節(jié)省工程造價(jià)。

4)帶有雙層水平撐的全直樁碼頭結(jié)構(gòu)(加斜撐)的內(nèi)部樁受力較小，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以進(jìn)一步研究以節(jié)約工程造價(jià)。

5)所有樁基都用橫撐和斜撐相連并無必要，2、3號(hào)樁之間相連對(duì)位移和內(nèi)力結(jié)果并無影響。