水工平臺(tái)上建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉月紅，韓廣興

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

工程計(jì)算中我們通常把水工平臺(tái)頂面作為上部結(jié)構(gòu)嵌固點(diǎn)，僅對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。但實(shí)際上水工平臺(tái)本身在風(fēng)荷載及地震作用下也會(huì)產(chǎn)生位移，進(jìn)而對(duì)上部結(jié)構(gòu)的受力和變形產(chǎn)生影響。水工平臺(tái)參與整體建模計(jì)算時(shí)，水工平臺(tái)樁底部嵌固點(diǎn)位置和水工平臺(tái)厚度的取值對(duì)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的影響也很大。

師艷景、韓智臣在《地震作用下作業(yè)樓與高樁承臺(tái)耦合作用分析》[1]一文中，采用ABAQUS有限元軟件整體建模，主要論述了作業(yè)樓與高樁承臺(tái)耦合作用對(duì)水工承臺(tái)樁基軸力、彎矩的影響。本文以某水工平臺(tái)上的碼頭前方作業(yè)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，采用PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建模計(jì)算，分析水工平臺(tái)參與結(jié)構(gòu)整體建模計(jì)算，對(duì)前方作業(yè)樓上部結(jié)構(gòu)周期、位移及內(nèi)力的影響。同時(shí)比較水工平臺(tái)樁底部嵌固點(diǎn)位置及水工平臺(tái)厚度取值不同時(shí)，上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的差異。

1 工程概況

本工程前方作業(yè)樓水工平臺(tái)海側(cè)邊線距碼頭前沿線42.04 m，采用樁基墩臺(tái)式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高水位 4.3 m，設(shè)計(jì)低水位 0.5 m，泥面標(biāo)高-2.0 m。水工平臺(tái)結(jié)構(gòu)平面尺寸為41×21.96 m，厚1.9 m，其上設(shè)有150 mm 厚面層，墩臺(tái)頂面標(biāo)高6.0 m(包括面層)，墩臺(tái)底面標(biāo)高+3.95 m，墩臺(tái)下設(shè)φ800 mm 灌注樁及650×650 mm 預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁。碼頭前方作業(yè)樓坐落在水工構(gòu)筑物的平臺(tái)上，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)32.1 m，寬15.5 m，建筑面積1 532.0 m2，房屋建筑高度13.5 m，主體三層，四層為局部突出屋面的水箱間。碼頭前方作業(yè)樓設(shè)計(jì)使用年限 50年，工程所在地抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值 0.15 g。重現(xiàn)期 50 年的基本風(fēng)壓0.55 kN/m2，地面粗糙度類別為A 類，重現(xiàn)期50年的基本雪壓0.35 kN/m2。

本工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，對(duì)建筑物在恒載、活載、風(fēng)載、地震作用下，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載（效應(yīng)）組合。采用最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行內(nèi)力及變形分析。并按相應(yīng)規(guī)范對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般將水工平臺(tái)頂面作為上部結(jié)構(gòu)嵌固點(diǎn)，僅對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。然而，平臺(tái)自身的變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)的受力也會(huì)產(chǎn)生較大影響。特別是抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，由于平臺(tái)自重比上部結(jié)構(gòu)各樓層的自重大很多，本身就是一個(gè)很大的地震質(zhì)點(diǎn)，地震作用下，平臺(tái)自身會(huì)產(chǎn)生較大位移，從而帶動(dòng)上部結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而影響上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及配筋計(jì)算。

為了分析水工平臺(tái)參與結(jié)構(gòu)整體建模計(jì)算對(duì)上部結(jié)構(gòu)周期、位移及內(nèi)力的影響，本文按照如下兩種方案分別建模計(jì)算：

1）模型1：水工平臺(tái)頂面作為上部結(jié)構(gòu)嵌固點(diǎn)，只對(duì)上部結(jié)構(gòu)建模計(jì)算；

2）模型2：水工平臺(tái)作為建筑物的一層，與上部結(jié)構(gòu)整體建模計(jì)算。

圖1 模型一計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2 模型二計(jì)算簡(jiǎn)圖

需要特別指出的是，由于本文主要研究對(duì)象是碼頭前方作業(yè)樓上部結(jié)構(gòu)的變形及受力情況，故選用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采用的PKPM 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件SATWE 模塊進(jìn)行計(jì)算，該軟件主要針對(duì)常規(guī)建筑單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研發(fā)，故當(dāng)水工平臺(tái)作為建筑物的一層整體建模時(shí)，需對(duì)水工平臺(tái)構(gòu)件的輸入作如下簡(jiǎn)化：

1）將平臺(tái)下設(shè)置的φ800 mm 灌注樁,按照面積及截面慣性矩相等的原則，簡(jiǎn)化為圓形截面框架柱輸入；

2）將平臺(tái)下設(shè)置的650×650 mm 預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁,按照面積及截面慣性矩相等的原則，簡(jiǎn)化為空心矩形截面框架柱輸入；

3）平臺(tái)底面標(biāo)高+3.950 m，泥面標(biāo)高 -2.000 m，水工平臺(tái)樁計(jì)算長(zhǎng)度取至泥面以下 3 m 處，計(jì)算長(zhǎng)度值3.95-（-2-3）=8.95 m，建模時(shí)按照9 m 層高輸入；

4）1.9 m 厚水臺(tái)板，按照PKPM 軟件計(jì)算自重與原設(shè)計(jì)墩臺(tái)自重相等的原則，簡(jiǎn)化為“框架梁+樓板”體系輸入；

5）平臺(tái)位于水中可不考慮水工平臺(tái)層風(fēng)荷載作用。軟件輸入時(shí)，將平臺(tái)頂面對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)標(biāo)高輸為0，則上部結(jié)構(gòu)風(fēng)壓高度系數(shù)取值與實(shí)際相符；將平臺(tái)層風(fēng)荷載體型系數(shù)輸為0，則平臺(tái)層自身風(fēng)荷載值為0，與實(shí)際相符。

3 平臺(tái)參與整體建模對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

3.1 結(jié)構(gòu)自振周期[3]的影響

模型1 及模型2 自振周期計(jì)算結(jié)果，見表1?？梢钥闯?，模型1 第一振型自振周期0.5806 s，模型2 第一振型自振周期0.8199 s，水工平臺(tái)參與整體建模計(jì)算后結(jié)構(gòu)自振周期明顯增大。

表1 自振周期計(jì)算結(jié)果表

3.2 地震作用下的樓層最大位移[3]的影響

模型1 及模型2 地震作用下的樓層最大位移計(jì)算結(jié)果，見表2?？梢钥闯?，水工平臺(tái)參與整體建模時(shí)，水工平臺(tái)本身在地震作用下已經(jīng)產(chǎn)生了14 mm 左右的水平位移，帶動(dòng)上部結(jié)構(gòu)共同變形，故水工平臺(tái)參與整體建模計(jì)算后整體結(jié)構(gòu)位移明顯增大。

表2 地震作用下的樓層最大位移計(jì)算結(jié)果表

3.3 地震作用下樓層最大層間位移角[3]的影響

模型1 及模型2 地震作用下的樓層最大層間位移角計(jì)算結(jié)果，見表3。平臺(tái)參與整體建模計(jì)算后各層的層間位移角明顯增大。

表3 地震作用下樓層最大層間位移角計(jì)算結(jié)果

3.4 小結(jié)

通過上述分析，水工平臺(tái)參與整體建模得到的計(jì)算結(jié)果與上部結(jié)構(gòu)單獨(dú)建模相比，結(jié)構(gòu)自振周期明顯增大、結(jié)構(gòu)各樓層的樓層最大位移及層間位移角明顯增加，碼頭前方作業(yè)樓上部結(jié)構(gòu)各層，尤其是首層的內(nèi)力及配筋明顯增大，如只按上部結(jié)構(gòu)單獨(dú)建模所得結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件計(jì)算及配筋，將存在較大的安全隱患。

4 樁底部嵌固點(diǎn)取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

從前文分析結(jié)果可以看出，水工平臺(tái)是否參與整體建模對(duì)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果影響很大。而前文所示的計(jì)算結(jié)果均是假定樁的嵌固點(diǎn)位于泥面以下3 m（樁計(jì)算長(zhǎng)度9 m）時(shí)得到的。事實(shí)上，水工平臺(tái)樁的實(shí)際嵌固位置很難準(zhǔn)確計(jì)算出來，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估值。嵌固點(diǎn)位置取值不同，水工平臺(tái)變形對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響也不同。表4 分別給出了水工平臺(tái)樁底部嵌固點(diǎn)分別取泥面下0～6 m 時(shí)（樁計(jì)算長(zhǎng)度6～12 m），結(jié)構(gòu)周期及地震作用下層間位移的計(jì)算結(jié)果。

水工平臺(tái)參與整體建模對(duì)上部結(jié)構(gòu)1 層的計(jì)算結(jié)果影響最大，故表格中只統(tǒng)計(jì)了上部結(jié)構(gòu)1層的計(jì)算結(jié)果。由表4 可以看出，水工平臺(tái)樁嵌固點(diǎn)取在泥面高度以下0～2 m（樁計(jì)算長(zhǎng)度≤8 m）時(shí)，水工平臺(tái)層相對(duì)上部結(jié)構(gòu)層剛度較大，水工平臺(tái)對(duì)上部結(jié)構(gòu)嵌固作用明顯，上部結(jié)構(gòu)平均層間位移隨計(jì)算樁長(zhǎng)的增加而增加，上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋值也會(huì)相應(yīng)增加。當(dāng)水工平臺(tái)樁嵌固點(diǎn)取在泥面高度以下3～12 m（樁計(jì)算長(zhǎng)度≥9 m）時(shí)，水工平臺(tái)自身剛度減小，對(duì)上部結(jié)構(gòu)嵌固作用減弱，隨樁長(zhǎng)增加，上部結(jié)構(gòu)平均層間位移反而逐漸減小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力及配筋值也會(huì)相應(yīng)減少，但此時(shí)水工平臺(tái)自身位移可能已不能滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 水工平臺(tái)樁底部嵌固點(diǎn)位置取值不同計(jì)算結(jié)果

5 平臺(tái)板厚度取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

設(shè)計(jì)中，上部結(jié)構(gòu)樓板厚通常只有100 mm，而水工平臺(tái)板厚一般取值都在2 m 左右，相當(dāng)于20 層樓板的重量。在地震作用下，水工平臺(tái)層形成一個(gè)很大的地震質(zhì)點(diǎn)，使得結(jié)構(gòu)整體地震力放大，從而上部結(jié)構(gòu)地震力加大。為滿足結(jié)構(gòu)安全要求，不得不加大上部結(jié)構(gòu)梁柱斷面和配筋。

表5 分別給出了水工平臺(tái)樁計(jì)算長(zhǎng)度取 9 m，板厚分別取為1 m 和2 m 時(shí)，結(jié)構(gòu)周期及地震作用下層間位移的計(jì)算結(jié)果。

表5 水工平臺(tái)板厚度取值不同計(jì)算結(jié)果

由表5 可以看出，水工平臺(tái)板厚度減小對(duì)上部結(jié)構(gòu)變形和受力是有利的。設(shè)計(jì)時(shí)若能在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下適當(dāng)降低水工平臺(tái)板厚，既可保證上部結(jié)構(gòu)安全又可有效降低工程造價(jià)。

6 結(jié)語(yǔ)

水工平臺(tái)是否參與結(jié)構(gòu)整體建模，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果影響很大，如只按上部結(jié)構(gòu)單獨(dú)建模所得結(jié)果進(jìn)行配筋及設(shè)計(jì)將存在較大的安全隱患。建議按照上部結(jié)構(gòu)單獨(dú)建模和水工平臺(tái)與上部結(jié)構(gòu)整體建模分別建立兩個(gè)模型，取最不利結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

水工平臺(tái)樁底部嵌固點(diǎn)位置取值不同對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。然而水工平臺(tái)樁的實(shí)際嵌固位置很難準(zhǔn)確計(jì)算出來，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估值，其最不利位置取決于水工平臺(tái)層與上部結(jié)構(gòu)各層的相對(duì)剛度關(guān)系，不能一概而論。本文中的算例，將水工平臺(tái)樁嵌固點(diǎn)取在泥面下 1～4 m 范圍時(shí)，上部結(jié)構(gòu)受力最不利，此時(shí)進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算是偏于安全的。建議水工平臺(tái)上建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，樁底部嵌固點(diǎn)按不同的位置建模試算，取最不利結(jié)果進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

水工平臺(tái)板厚度減小對(duì)上部結(jié)構(gòu)變形和受力是有利的。設(shè)計(jì)時(shí)若能在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下降低平臺(tái)板厚，可有效降低工程造價(jià)。