高樁碼頭橫梁裝配應(yīng)用技術(shù)

李武，朱琳

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

0 引言

高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)是軟土地基上主要碼頭結(jié)構(gòu)形式之一。裝配化程度較高，樁基、梁板都可采用預(yù)制或部分預(yù)制，現(xiàn)場拼裝澆筑大節(jié)點(diǎn)，體積裝配率在60%左右。但是近幾年裝配式結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，裝配式高樁碼頭結(jié)構(gòu)被重新定義，并給出了量化指標(biāo)，體積裝配率達(dá)75%以上，或所有構(gòu)件都是預(yù)制的高樁碼頭結(jié)構(gòu)，稱為裝配式高樁碼頭結(jié)構(gòu)[1]。武漢大學(xué)的專家學(xué)者近年來深入研究裝配式高樁碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和計算模式[2-3]，通過深入探討，學(xué)者發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)是裝配式設(shè)計施工的重點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計合理，施工速度快，現(xiàn)場混凝土澆筑量小或者沒有才能真正達(dá)到裝配式高樁碼頭結(jié)構(gòu)的要求。因此，裝配式高樁碼頭結(jié)構(gòu)的研究方向集中在節(jié)點(diǎn)研究。為此，本文結(jié)合實(shí)際工程研究高樁碼頭橫梁與樁帽之間的裝配模式，并利用數(shù)值軟件分析新裝配模式的受力情況[4-8]，總結(jié)歸納橫梁與樁帽新裝配模式的特點(diǎn)，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

連云港港徐圩港區(qū)位于海州灣埒子口以北至小丁港之間海岸，擬建項(xiàng)目位于港內(nèi)四港池。工程擬新建2個5 萬噸級液體散貨泊位。碼頭采用工作平臺+系纜墩組合的布置方式。碼頭上部采用裝配式結(jié)構(gòu)，主要為現(xiàn)澆樁帽、預(yù)制裝配式縱橫梁、預(yù)制加現(xiàn)澆疊合面板的形式。高樁碼頭基本結(jié)構(gòu)由樁身、樁帽、橫梁、縱梁和面板組成，如圖1 所示。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)幾何圖Fig.1 Geometry of wharf structure

2 裝配模式

橫梁與樁帽裝配方案通過將樁帽頂部豎向布置的工字鋼插入預(yù)制橫梁內(nèi)的預(yù)留孔實(shí)現(xiàn)。中、后樁帽頂部采用預(yù)制橫梁，左側(cè)陰影部分為現(xiàn)澆橫梁部分與右側(cè)預(yù)制橫梁通過預(yù)留鋼筋現(xiàn)澆形成整體，其布置如圖2 所示。

圖2 預(yù)制橫梁與樁帽連接圖Fig.2 Connection diagram of precast beam and pile cap

3 有限元計算參數(shù)設(shè)置

本次模擬中混凝土按C40 混凝土的力學(xué)性能參數(shù)取用，見表1。

表1 C40 混凝土壓縮應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)Table 1 Compressive stress and strain parameters of C40 concrete

混凝土的泊松比取0.2，密度取2 400 kg/m3。鋼筋采用三維兩節(jié)點(diǎn)線單元來劃分網(wǎng)格，工字鋼采用兩節(jié)點(diǎn)線性梁單元來劃分網(wǎng)格。針對橫梁裝配方案，工字鋼型號為32C，模型固結(jié)約束樁基底部。

4 模擬分析

4.1 荷載及分布

如圖3 所示，荷載1 是碼頭結(jié)構(gòu)附加自重，該荷載在任何荷載組合中都需考慮，荷載分項(xiàng)系數(shù)1.2，分布在系船柱底座后沿至碼頭平臺后沿。荷載2 是船舶撞擊力，荷載分項(xiàng)系數(shù)1.5，依據(jù)受載面的面積將集中力換算為等效的均布荷載施加在碼頭橫梁側(cè)面。荷載3 為船舶系纜力，分項(xiàng)系數(shù)1.4，作用在系船柱上，分解為水平荷載1 367 kN，豎向荷載367 kN。荷載4 為管架荷載，組合系數(shù)按1.4 考慮。荷載5 為集度100 kN/m 的均布荷載，分項(xiàng)系數(shù)1.5，分布在系船柱底座后沿至管架梁邊緣。

圖3 荷載布載形式圖Fig.3 Diagram of load distribution form

4.2 模擬分析成果

在該分析軟件中，X 軸看作1 軸，Y 軸看作2軸，Z 軸看作3 軸；那么S11 就是X 軸向的應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力；S22 就是Y 軸向的應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力；S33 就是Z 軸向的應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

1）荷載組合一：荷載1×1.2+荷載2×1.5

在荷載1+荷載2 組合作用下，橫梁與樁帽接觸面上的壓力最大值約為7.98 MPa，出現(xiàn)在中樁帽最右側(cè)邊部；鋼筋內(nèi)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在后樁帽內(nèi)靠港池一側(cè)的邊部，最大應(yīng)力值約為175.5 MPa，右樁帽工字鋼附近應(yīng)力數(shù)值較高，最大應(yīng)力值在59 MPa 左右，擱坎附近應(yīng)力最大值在64 MPa 左右。工字鋼上最大值出現(xiàn)在中樁帽內(nèi)最右側(cè)，數(shù)值約為8.11 MPa。

2）荷載組合二：荷載1×1.2+荷載5×1.5

荷載1+荷載5 組合作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)最大應(yīng)力出現(xiàn)在中樁帽與橫梁接合處右側(cè)邊緣，最大應(yīng)力值約為25.66 MPa；靠近工字鋼附近應(yīng)力較高的鋼筋一般的應(yīng)力為100～150 MPa；工字鋼內(nèi)應(yīng)力最大值約為8 MPa。

3）荷載組合三：荷載1×1.2+荷載3×1.4

系纜力作用點(diǎn)附近橫梁混凝土局部有出現(xiàn)受拉損傷的趨勢；橫梁鋼筋骨架內(nèi)最大主應(yīng)力約為136.5 MPa；樁頂工字鋼的應(yīng)力數(shù)值約為4.9 MPa。

4）荷載組合四：荷載1×1.2+荷載4×1.4

樁帽內(nèi)鋼筋的最大應(yīng)力值與樁帽頂面，尤其是頂面邊部的局部受壓關(guān)系緊密，鋼筋最大應(yīng)力值出現(xiàn)在中樁帽頂面右側(cè)邊部，數(shù)值約為139.5 MPa。右樁帽頂面左側(cè)邊部的鋼筋應(yīng)力數(shù)值也較高。由于管架基礎(chǔ)底面對橫梁頂面施加了很大的力和力矩作用，在不考慮橫梁頂部鋪裝層分散荷載作用的情況下，管架地面作用范圍附近的橫梁混凝土受拉損傷的范圍比受壓更大。管架基礎(chǔ)底面作用范圍附近的橫梁內(nèi)的鋼筋受拉應(yīng)力也較高，最大數(shù)值約為334.2 MPa。

5）現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)橫梁與裝配節(jié)點(diǎn)橫梁對比分析

現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)橫梁在荷載作用下應(yīng)力分布比較均勻，由節(jié)點(diǎn)邊緣沿受力方向逐步減弱傳遞，然而裝配節(jié)點(diǎn)橫梁在荷載作用下應(yīng)力出現(xiàn)集中，主要由型鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)，型鋼結(jié)構(gòu)附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，該部位應(yīng)該采取配置加強(qiáng)鋼筋分散應(yīng)力。但是2種節(jié)點(diǎn)連接方式，在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生彎剪扭等綜合內(nèi)力值基本一樣，節(jié)點(diǎn)處彎矩和剪力大小相等。模擬結(jié)果表明2 種節(jié)點(diǎn)在載荷作用下整體受力性能相同。

5 結(jié)語

首次提出高樁碼頭橫梁裝配形式，并通過數(shù)值方法，結(jié)合高樁碼頭結(jié)構(gòu)典型作業(yè)工況中提煉出的荷載模型，研究高樁碼頭橫梁裝配形式的力學(xué)性能。根據(jù)模擬分析結(jié)果得出如下結(jié)論：

1）采用樁帽上設(shè)置工字鋼裝配橫梁的碼頭結(jié)構(gòu)，在多種荷載組合作用下均能夠滿足碼頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形的驗(yàn)算要求。

2）在荷載組合一（考慮船舶撞擊力）作用下，鋼筋內(nèi)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在后樁帽內(nèi)靠港池一側(cè)的邊部，最大應(yīng)力值約為175.5 MPa，是所有荷載組合中對工字鋼受力最不利的一種狀態(tài)，但強(qiáng)度滿足要求且很富余。

3）荷載組合二、荷載組合三作用下，橫梁結(jié)構(gòu)只有在荷載作用區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力值稍高，其它區(qū)域相對較小。

4）荷載組合四（考慮管架荷載）作用下，管架基礎(chǔ)附近混凝土局部出現(xiàn)少量受拉損傷變形，但考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)中縱梁以及管架基礎(chǔ)附近預(yù)埋鋼板等構(gòu)造措施對荷載的分擔(dān)作用，該處不會發(fā)生破壞。

綜上所述，本文提出的高樁碼頭橫梁裝配形式中，工字鋼主要是水平受剪切作用，上拔作用大部分由結(jié)構(gòu)自重分擔(dān)。工字鋼附近鋼筋受力較大，設(shè)計時應(yīng)考慮局部加強(qiáng)。