水平集中力在高樁框架碼頭排架中的分配系數(shù)研究

陳孝建

（江西省港航設(shè)計(jì)院有限公司，江西南昌 330008）

引言

在長(zhǎng)江中下游地區(qū)內(nèi)河碼頭設(shè)計(jì)中，由于高低水位差較大，經(jīng)常采用高樁框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以隨著水位的升降實(shí)現(xiàn)船舶的多層系靠。在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，經(jīng)常按照簡(jiǎn)化平面排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，水運(yùn)行業(yè)經(jīng)常使用的易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)CAD 集成軟件中的高樁梁板結(jié)構(gòu)和高樁框架式結(jié)構(gòu)的計(jì)算均是采用簡(jiǎn)化的平面排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，由于水平撞擊力和系纜力為碼頭主要水平受力之一，計(jì)算中考慮相對(duì)準(zhǔn)確合理的分配系數(shù)是尤為重要的。

《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 167-2018）》（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）附錄F[1]中給出了5 跨～10 跨結(jié)構(gòu)段水平集中力的橫向分力在高樁碼頭排架中的分配系數(shù)。但是在實(shí)際工作中，因?yàn)閮?nèi)河大水位差碼頭經(jīng)常采用整體現(xiàn)澆上部結(jié)構(gòu)，而規(guī)范規(guī)定[1]：上部結(jié)構(gòu)為整體澆筑混凝土?xí)r，不宜大于35 m。因此進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到四跨的情況，而規(guī)范中卻沒(méi)有給出可供參考的數(shù)值。此外，高樁框架碼頭所受水平集中力作用高程的不同也會(huì)對(duì)分配系數(shù)造成影響[2]，而規(guī)范未對(duì)此做出區(qū)分。

趙沖久等研究表明[3]：運(yùn)用有限元分析模型計(jì)算水平集中力在排架中的分配結(jié)果與物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行研究的結(jié)果具有較好的吻合性，且碼頭面豎向荷載對(duì)水平集中力在排架中的橫向分配影響很小，在進(jìn)行分配系數(shù)研究時(shí)可不考慮豎向荷載，只施加水平集中力。因此，本文從工程實(shí)例出發(fā)，運(yùn)用Autodesk Robot Structural Analysis Professional[4]軟件對(duì)高樁框架碼頭進(jìn)行建模計(jì)算，采用有限元分析方法研究了不同作用排架、不同作用高程和不同排架間距水平集中力的分配系數(shù)，為高樁框架碼頭平面排架計(jì)算分配系數(shù)選取提供參考。

1 高樁框架碼頭概況

內(nèi)河某高樁框架碼頭，碼頭布置四層系靠船平臺(tái)，樁基采用1 200 mm 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)30 m 左右。碼頭面高程25 m，設(shè)計(jì)高水位24.67 m，設(shè)計(jì)低水位9.85 m。共5 個(gè)排架，4 跨，排架間距分別為6.4 m，7 m 和7.8 m，每個(gè)排架設(shè)置5 根Φ1 200 mm鉆孔灌注樁，面板厚度40 cm（含磨耗層），平臺(tái)寬度28 m。碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖和樁位圖如圖1 和圖2所示。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意圖

圖2 樁位平面布置圖

地質(zhì)情況：碼頭工程區(qū)域除表層淤泥及淤泥質(zhì)粘性土物理力學(xué)性質(zhì)較差外，其它地層工程地質(zhì)條件均較好。中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層面雖有起伏，但物理力學(xué)性質(zhì)較好，厚度大，選為樁端持力層，將基礎(chǔ)置于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖一定深度。

2 有限元模型建立

采用 Autodesk Robot Structural Analysis Professional 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)段建立三維空間桿系板殼模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算樁長(zhǎng)采用m 法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算樁長(zhǎng)取為20.5 m，樁底固結(jié)，材料均采用C30 鋼筋混凝土，排架間距分別取為6.4 m、7 m 和7.8 m。

不考慮豎向荷載作用，施加100 kN 水平集中力來(lái)進(jìn)行分配系數(shù)研究[3]。根據(jù)不同靠泊工況，分別將水平集中力作用于排架1、排架2 和排架3。每個(gè)排架又對(duì)應(yīng)于5 個(gè)不同的作用高程，分別為高程24.6 m，20.5 m，17.3 m，14.0 m 和11.35 m 處。計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 有限元計(jì)算模型

3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)計(jì)算各排架樁嵌固點(diǎn)的支座反力之和與施加的100 kN 水平集中力的比值，獲得了各排架的水平集中力分配系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如下表1～3 所示。

表1 在間距6.4m 的排架中的分配系數(shù)

表2 在間距7m 的排架中的分配系數(shù)

表3 在間距7.8m 的排架中的分配系數(shù)

由上表可以得出：分配系數(shù)最大值總是位于排架1 或者水平集中力作用的排架。而且在平面排架設(shè)計(jì)中總是選擇最不利排架進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，因此為了得出水平集中力在四跨高樁框架碼頭排架中的一般分配規(guī)律，以下對(duì)排架1 和水平集中力作用的排架做出分析。

1）表中分配系數(shù)在排架間距7.8 m、水平集中力作用于排架1 最低點(diǎn)時(shí)在作用排架達(dá)到最大值0.4861，該值明顯小于規(guī)范附錄F 中五跨的分配系數(shù)最大值，這與附錄F 中隨著跨數(shù)減少，水平集中力作用排架分配系數(shù)逐漸增大的趨勢(shì)不符。這是由于高樁框架碼頭的下部框架結(jié)構(gòu)發(fā)揮了較大作用，結(jié)構(gòu)整體受力性能更好，使得水平集中力在作用排架中分配減小。因此并不能單純按照規(guī)范附錄F 來(lái)遞推4 跨高樁框架碼頭水平集中力分配系數(shù)。

2）水平集中力作用于排架1 和排架2 時(shí)，分配系數(shù)在排架1 最大，這是由于水平集中力作用的非對(duì)稱性，結(jié)構(gòu)整體在水平集中力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致靠近它的端排架將承受更大的水平力，與規(guī)范附錄F 中非中間排架受力時(shí)分配規(guī)律一致。

3）水平集中力作用于排架3（中間排架）中上部時(shí)，結(jié)構(gòu)整體受力均勻，各排架承擔(dān)的水平力較為平均，這與規(guī)范附錄F 中中間排架受力時(shí)的分配規(guī)律一致；但是當(dāng)作用點(diǎn)位于排架中下部時(shí)，各排架的不均勻分配逐漸顯現(xiàn)，隨著作用點(diǎn)高程的降低，作用排架的分配系數(shù)逐漸增大，作用排架的分配系數(shù)最大，排架1 的分配系數(shù)最小，二者最大變幅達(dá)到37.66 %，因此規(guī)范附錄F 對(duì)于水平集中力作用于高樁框架碼頭中間排架較低點(diǎn)時(shí)并不適用。

4）隨著水平集中力作用高程的降低，作用排架分配系數(shù)逐漸增大。這是由于隨著作用點(diǎn)的降低，作用點(diǎn)以上部分框架的作用影響逐漸降低，結(jié)構(gòu)整體受力性能減弱，作用排架所分配的水平集中力增加。

5）隨著排架間距的增大，水平集中力作用排架的分配系數(shù)逐漸增大。這是由于隨著排架間距的增大，整個(gè)計(jì)算模型的整體性有所減弱，水平集中力傳遞到其他排架的部分有所減小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以得出，對(duì)于高樁框架碼頭，由于框架結(jié)構(gòu)可以將水平集中力更好的傳遞到其他排架，使得結(jié)構(gòu)整體受力性能更好，在按平面排架計(jì)算需考慮水平集中力分配系數(shù)時(shí)，按照《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 167-2018）》附錄F 中的規(guī)律進(jìn)行推算選取偏于保守，導(dǎo)致工程造價(jià)提高，應(yīng)單獨(dú)建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。對(duì)于高樁框架碼頭平面排架計(jì)算，本文給出以下幾點(diǎn)建議供參考：

1）在進(jìn)行四跨高樁框架碼頭平面排架計(jì)算選取水平集中力分配系數(shù)時(shí)，按照規(guī)范附錄F 中的規(guī)律進(jìn)行推算選取會(huì)過(guò)于保守而間接導(dǎo)致工程造價(jià)的提高，因此從經(jīng)濟(jì)合理的角度考慮，建議可參照本文的分析成果，針對(duì)具體工程單獨(dú)建模分析。

2）設(shè)計(jì)中對(duì)于不同的水平集中力作用高程的系靠泊工況，分配系數(shù)的選取應(yīng)該區(qū)別對(duì)待，作用高程越低，分配系數(shù)越大。

3）在五跨及以上高樁框架碼頭平面排架計(jì)算中，當(dāng)需按規(guī)范附錄F 選取水平集中力分配系數(shù)時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮框架對(duì)于結(jié)構(gòu)整體受力的有利影響和作用點(diǎn)高程降低的不利影響，分配系數(shù)酌情選用。