板樁式塢墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

◎ 趙家旺 文藻

1.中交三航局第二工程有限公司；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

1.引言

船塢是一種供船舶修造的大型結(jié)構(gòu)工程，一般分為浮船塢和干船塢。其中干船塢結(jié)構(gòu)主要包括塢室、塢口、水泵房、圍堰、基坑等。作為船塢結(jié)構(gòu)的核心部分，塢墻結(jié)構(gòu)可采用重力式、樁基承臺(tái)式、板樁式、半重力式、混合式和襯砌式結(jié)構(gòu)。對(duì)于地基承載力較低的工程環(huán)境，宜采用板樁式塢墻結(jié)構(gòu)。

同樣是板樁結(jié)構(gòu)，板樁式塢墻與板樁碼頭有很多相似之處，如分為前墻、拉錨結(jié)構(gòu)、后墻等；前墻多采用組合鋼板樁或地連墻形式；后錨碇多采用混凝土墻或樁等形式。主要計(jì)算內(nèi)容有前墻踢腳穩(wěn)定性、錨碇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、拉桿內(nèi)力、前墻內(nèi)力等。但是，板樁式塢墻又有其獨(dú)特之處：

（1）在修造船工況，前墻前面沒有水壓力作用，為“干”的情況；而板樁碼頭墻前有水壓力作用。

（2）由于船塢底板的存在，在使用期，塢墻前方時(shí)刻有底板的支撐作用；而板樁碼頭沒有。

基于以上兩點(diǎn)的主要不同，板樁式塢墻的設(shè)計(jì)和施工也要有所特殊考慮。本文以南亞地區(qū)某項(xiàng)目為例，結(jié)合板樁式塢墻施工工序和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析，為相關(guān)工程項(xiàng)目提供參考。

2.工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

干船塢主尺度為135x28x13.8m，沒有中間塢門，塢底標(biāo)高為-7.0m，塢頂標(biāo)高為+6.8m。塢墻采用板樁式結(jié)構(gòu)，前墻塢壁采用?1219鋼管樁&AZ20-700鋼板樁組合樁結(jié)構(gòu)形式，錨碇結(jié)構(gòu)采用AZ20-700鋼板樁，鋼拉桿直徑為65mm，間距1.5m。頂部胸墻采用混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有公用廊道，下部為門機(jī)前軌支撐樁，樁型采用φ800mmPHC管樁。塢底板采用混凝土板結(jié)構(gòu)，厚度為1.5m，下部為φ500mmPHC管樁支撐。

由于地基土多為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等軟弱土層，故采用水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理，置換率40%。

3.主要施工工序及危險(xiǎn)工況

塢墻結(jié)構(gòu)的主要施工工序?yàn)椋?/p>

①塢底板樁基施工—②塢壁組合板樁施工—③門機(jī)軌道PHC樁施工—④錨碇板樁施工—⑤拉桿安裝及拋石—⑥塢室開挖—⑦塢底板施工—⑧樁帽及軌道梁施工—⑨胸墻施工—⑩塢頂回填。

整個(gè)過程均為干施工狀態(tài)，可以看出，在第六步塢室開挖完成后，第七部塢底板施工前，塢墻結(jié)構(gòu)處于墻前沒有底板支撐作用，且沒有水壓力作用的危險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)為施工期的危險(xiǎn)工況。整體施工完成后，塢頂設(shè)計(jì)荷載達(dá)到了使用期荷載，此時(shí)為使用期的危險(xiǎn)工況。

此外，由于塢壁結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于完成狀態(tài)，在塢底板施工前會(huì)一直處于受力狀態(tài)，實(shí)際上會(huì)存在一定的變形協(xié)調(diào)。等到塢底板施工完畢后，底板的支撐作用形成，塢壁在底板位置處的變形基本上可以忽略不計(jì)，但是前期已經(jīng)發(fā)生的變形為永久變形，不會(huì)因?yàn)閴]底板的施工而將變形“頂回去”，故仍需要考慮[1]。

4.設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 設(shè)計(jì)輸入條件

主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

土質(zhì)參數(shù)如表2所示，地面均載30kPa（施工期為10kPa）。

表2 地質(zhì)參數(shù)

4.2 設(shè)計(jì)工況

根據(jù)前文施工工序分析，首先將計(jì)算模型分為施工期和使用期（本文暫不考慮地震作用）。

1）施工期采用設(shè)計(jì)高低水位進(jìn)行計(jì)算，墻前沒有底板支撐，塢頂標(biāo)高為+2.5m，即塢頂開挖面高程，頂面受施工期荷載。

2）在施工期計(jì)算完成后，讀取前墻在船塢底板位置處（約-7.75m）的變形值。假定在塢底板施工完成后，此位置的后續(xù)變形為零。

3）使用期采用極端高低水位、設(shè)計(jì)高低水位進(jìn)行計(jì)算，墻前有底板支撐，需要在模型中給定一個(gè)假定“剛度系數(shù)”。塢頂標(biāo)高為+6.8m，受使用期荷載。

4）通過調(diào)整假定的“剛度系數(shù)”值大小，將使用期計(jì)算得到的前墻底板位置處變形值，與施工期計(jì)算得出的一致，此時(shí)為最終的計(jì)算模型。值得注意的是，在計(jì)算使用期模型時(shí)，需按照設(shè)計(jì)水位分別調(diào)整模型，使各個(gè)水位計(jì)算得出的底板位置處變形值均為給定值[2]。

如果不考慮施工期位移，在使用期計(jì)算模型中直接定底板剛度系數(shù)，會(huì)造成兩種結(jié)果：

1）給定的剛度系數(shù)偏小。使用期前墻變形位移較大，大于施工期的變形數(shù)值，總體結(jié)果偏大；

2）給定的剛度系數(shù)偏大。使用期前墻變形位移較小，小于施工期的變形數(shù)值，總體結(jié)果偏小；

綜上，設(shè)計(jì)工況如下：

施工期：

CLS1：自重+主動(dòng)土壓力（設(shè)計(jì)高水位）+堆載土壓力（設(shè)計(jì)高水位）+滲流力（設(shè)計(jì)高水位）；

CLS2：自重+主動(dòng)土壓力（設(shè)計(jì)低水位）+堆載土壓力（設(shè)計(jì)低水位）+滲流力（設(shè)計(jì)低水位）。

使用期：

ULS1：自重+主動(dòng)土壓力（極端高水位）+堆載土壓力（極端高水位）+滲流力（極端高水位）；

ULS2：自重+主動(dòng)土壓力（設(shè)計(jì)高水位）+堆載土壓力（設(shè)計(jì)高水位）+滲流力（設(shè)計(jì)高水位）；

ULS3：自重+主動(dòng)土壓力（設(shè)計(jì)低水位）+堆載土壓力（設(shè)計(jì)低水位）+滲流力（設(shè)計(jì)低水位）；

ULS4：自重+主動(dòng)土壓力（極端低水位）+堆載土壓力（極端低水位）+滲流力（極端低水位）。

4.3 計(jì)算結(jié)果

1）前墻踢腳穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 前墻踢腳穩(wěn)定結(jié)果

2）錨碇板樁穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 錨碇板樁穩(wěn)定結(jié)果

3）構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表5。

從表5可以看出，施工期前墻最大應(yīng)力約為168MPa，使用期前墻最大應(yīng)力約為184MPa，施工期產(chǎn)生的內(nèi)力已經(jīng)占到了最終使用期的90%，這說明塢墻結(jié)構(gòu)的大部分受力變形在施工期就已經(jīng)發(fā)生了，在實(shí)際的計(jì)算分析中必須要考慮進(jìn)去。

表5 構(gòu)件內(nèi)力結(jié)果

根據(jù)本文以及項(xiàng)目其他鉆孔計(jì)算結(jié)果，施工期前墻底板位置處的位移均在30mm左右；使用期給定的“底板剛度系數(shù)”在12000kN/m左右。如果按照常規(guī)的計(jì)算方法，采用EA/L的方式計(jì)算“底板剛度系數(shù)”，其結(jié)果遠(yuǎn)大于12000kN/m。這也是合理的，因?yàn)樵诖瑝]的實(shí)際結(jié)構(gòu)中，塢底板厚度為1.5m，斷面方向的長(zhǎng)度為28m，是一個(gè)剛性極大的支撐。但是如果直接在使用期計(jì)算中給定這個(gè)剛度系數(shù)，則前墻在底板處幾乎沒有變形，而由于此處剛度極大，反而造成了附近位置處應(yīng)力集中，結(jié)果失真[3]。

計(jì)算得出的變形和彎矩圖如圖1、圖2所示?？梢缘贸?，前墻的變形基本符合塢墻結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形協(xié)調(diào)；前墻的彎矩也基本過渡平滑，出現(xiàn)了板樁結(jié)構(gòu)中常見的彎矩分布形態(tài)，即前墻在拉桿位置以下、墻前泥面位置以上出現(xiàn)最大彎矩。

圖1 使用期結(jié)構(gòu)變形結(jié)果

圖2 使用期結(jié)構(gòu)彎矩結(jié)果

5.結(jié)論

（1）與板樁碼頭結(jié)構(gòu)不同，板樁式塢墻結(jié)構(gòu)由于船塢底板的存在，以及前墻無水壓力作用，其計(jì)算模式應(yīng)特殊考慮。并應(yīng)結(jié)合施工工序，找出危險(xiǎn)工況，將計(jì)算分為施工期和使用期，按照實(shí)際施工時(shí)的結(jié)構(gòu)形式、荷載條件，分別進(jìn)行分析。

（2）考慮到施工期塢墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了一定的永久變形，故在使用期需要通過調(diào)整底板剛度系數(shù)，將施工期產(chǎn)生的變形協(xié)調(diào)考慮進(jìn)去，再疊加使用期的工程結(jié)構(gòu)以及荷載條件。

（3）由計(jì)算結(jié)果可知，施工期已經(jīng)發(fā)生的塢墻內(nèi)力和變形，占據(jù)了最終使用期結(jié)果的90%左右，這說明施工期產(chǎn)生的內(nèi)力和變形是比較大的，需要在計(jì)算中考慮進(jìn)去。