中小型高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

李 超，馬 瑞，王麗芳

（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

高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)作為一種環(huán)境友好型結(jié)構(gòu)型式，其透空性不僅可以增加水體交換空間，同時(shí)還能減少波浪反射，有利于船舶作業(yè)，因此在地質(zhì)條件適合的碼頭結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛。然而傳統(tǒng)的高樁梁板式結(jié)構(gòu)，由于船舶靠泊安全需要，橫向排架間距受限，樁基能力往往得不到充分發(fā)揮，造成材料浪費(fèi)?；诖耍劳心陈糜涡蓍e碼頭工程，本文提出了一種適用于中小型碼頭，既能滿足靠泊需求又可以充分發(fā)揮樁基能力、降低工程投資的新型高樁梁板式結(jié)構(gòu)，并結(jié)合該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其適宜的計(jì)算方法和擬合方式進(jìn)行了研究探索。

1 工程概況

某旅游休閑碼頭工程為依托已建的斜坡式護(hù)岸，通過工程建設(shè)將其改建為直立式碼頭。受用海政策、陸域作業(yè)空間、自然條件、施工條件、建設(shè)工期等多方面因素影響，經(jīng)對(duì)比分析，高樁結(jié)構(gòu)型式較重力式結(jié)構(gòu)、板樁結(jié)構(gòu)更為適宜。

通過進(jìn)一步深入研究，經(jīng)對(duì)高樁墩式、高樁梁板式、高樁無梁板式結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可知高樁梁板式結(jié)構(gòu)具有預(yù)制裝配率高、施工速度快、投資更為節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，因此推薦高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案為優(yōu)選方案。

1.1 建設(shè)條件

1）設(shè)計(jì)船型

對(duì)擬靠泊實(shí)船船型尺度進(jìn)行匯總分析，設(shè)計(jì)代表船型主尺度詳見表1。

表1 設(shè)計(jì)船型主尺度表Tab.1 Design ship type main dimension table

2）設(shè)計(jì)波浪條件

碼頭前沿50 年一遇設(shè)計(jì)波浪要素詳見表2。

表2 設(shè)計(jì)波浪要素Tab.2 Design Wave Element Table

1.2 高樁梁板式結(jié)構(gòu)初步方案

該工程碼頭面頂高程3.5 m，前沿設(shè)計(jì)底高程-2.6 m，采用全直樁的高樁梁板式結(jié)構(gòu)，由下部樁基礎(chǔ)和上部梁板結(jié)構(gòu)組成。下部樁基采用直徑 1 000 mm 的混凝土灌注樁，橫向排架間距6 m，其上為現(xiàn)澆樁帽和預(yù)制安裝的鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。護(hù)舷布置在懸臂式靠船構(gòu)件上，為滿足船舶靠泊需要，靠船構(gòu)件底位于設(shè)計(jì)低水位以下。為減少溫度應(yīng)力和不均勻沉降帶來的影響，結(jié)構(gòu)分段長(zhǎng)度 63 m，采用懸臂式結(jié)構(gòu)縫。

圖1 原碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1 Cross section diagram of the original dock structure

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，孫文俊等[1]提出對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的整體布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)合理且快捷的途徑；邱喜等[2]以工程造價(jià)最優(yōu)為目標(biāo)，對(duì)樁基整體布置和上部構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，研究結(jié)果表明樁基布局優(yōu)化對(duì)投資的影響最為顯著，達(dá)95 %左右。結(jié)合上述研究成果，以節(jié)省工程投資，充分發(fā)揮樁基能力為目標(biāo)，從樁基布置、結(jié)構(gòu)分縫型式、靠船構(gòu)件三個(gè)方面開展優(yōu)化研究工作。

2.1 樁基布置優(yōu)化調(diào)整

樁基作為高樁碼頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)及主要受力單元，其投資一般可占到結(jié)構(gòu)總投資的1/2。以往對(duì)樁基布置的優(yōu)化調(diào)整，通常以樁基和橫梁組成的橫向排架作為優(yōu)化設(shè)計(jì)單元，通過調(diào)整排架間距，以“長(zhǎng)樁大跨”的型式實(shí)現(xiàn)降低工程投資的目的。對(duì)于本工程，排架間距受限于小型游船的靠泊需求，間距不宜大于6 m，優(yōu)化設(shè)計(jì)單元由橫向排架調(diào)整為樁基基礎(chǔ)。

對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，知結(jié)構(gòu)中、后排樁受力及變形小于海側(cè)前排樁。為兼顧考慮船舶靠泊、樁基能力發(fā)揮及上部梁系安裝，海側(cè)樁基間距維持6 m 不變，中、后排樁基間距取為海側(cè)樁基間距的整數(shù)倍。因原高樁梁板式結(jié)構(gòu)方案的樁基能力已發(fā)揮70 %左右，故從結(jié)構(gòu)安全考慮，陸側(cè)樁基間距取為海側(cè)樁基間距2 倍，為12 m。

圖2 優(yōu)化調(diào)整后的樁基布置示意Fig.2 Schematic diagram of optimized and adjusted pile foundation layout

2.2 結(jié)構(gòu)分縫型式優(yōu)化

高樁碼頭結(jié)構(gòu)縫的分縫型式可分為懸臂式、簡(jiǎn)支式及橫梁分開式[3]。懸臂式結(jié)構(gòu)縫的特點(diǎn)為受懸臂結(jié)構(gòu)受力影響，懸臂式結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度一般為2.5～ 3.0 m，遠(yuǎn)小于一般跨長(zhǎng)度；簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)縫的特點(diǎn)是可加大分縫段長(zhǎng)度，但無法協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)段之間的前后水平位移[4]；橫梁分開式為將設(shè)置結(jié)構(gòu)縫處的橫梁分為兩半，分縫段長(zhǎng)度同一般跨，但需增設(shè)擋塊等措施確保梁的穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步減少樁基根數(shù)，發(fā)揮樁基能力，基于分縫段長(zhǎng)度與一般跨跨度相同的原則，綜合簡(jiǎn)支式和橫梁分開式結(jié)構(gòu)縫型式特點(diǎn)，提出一種新型簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)縫。該結(jié)構(gòu)縫布置于樁基中心位置，對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)段進(jìn)行有效分隔。面板間、縱梁間設(shè)置凹凸榫，加強(qiáng)相鄰構(gòu)件的整體性和安全性。面板間、縱梁間、橫縱梁之間均填充彈性支承材料，減小碼頭水平方向變形。

圖3 位于樁中心的新型簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)縫示意Fig.3 Schematic diagram of a new type of simply supported structural joint located at the center of the pile

2.3 靠船構(gòu)件優(yōu)化調(diào)整

常見的高樁碼頭靠船構(gòu)件一般采用懸臂板式、懸臂梁式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)型式會(huì)對(duì)海側(cè)樁基產(chǎn)生附加樁頂彎矩。為進(jìn)一步優(yōu)化樁基受力，采用大剛度靠船塊體取代傳統(tǒng)的靠船構(gòu)件，將樁帽結(jié)構(gòu)與靠船結(jié)構(gòu)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。同時(shí)在靠船塊體之間增設(shè)擋浪邊板，減少波浪上浮力及樁基上拔力。

圖4 靠船塊體及擋浪邊板斷面示意Fig.4 Schematic diagram of the section of the berthing block and the wave blocking edge plate

圖5 靠船塊體及擋浪邊板立面示意Fig.5 Diagram of the facade of the berthing block and the wave blocking edge plate

2.4 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)方案

碼頭采用全直樁高樁梁板式結(jié)構(gòu)。樁基采用直徑1 200 mm 的混凝土灌注樁，沿碼頭長(zhǎng)度方向第一排樁間距為6 m，第二、三排樁間距12 m；海側(cè)樁上部現(xiàn)澆靠船塊體，塊體尺寸長(zhǎng)×寬×高為2.2 m ×2.75 m×1.4 m，靠船塊體間設(shè)置擋浪邊板；上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制安裝橫梁、縱梁及面板結(jié)構(gòu)，面板上設(shè)置排氣孔，上部澆筑碼頭面層。沿碼頭長(zhǎng)度方向設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，采用新型簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)縫，分縫段跨度同一般跨。

與原設(shè)計(jì)方案相比，樁基根數(shù)由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的175 根降至147 根，樁基能力發(fā)揮程度由原來的 70 %提升至84 %左右，樁基費(fèi)用由原來的2 692.76萬元降至2 308.11 萬元，工程總投資由原來的 15 505.71 萬元降至14 882.55 萬元，共降低工程投資623.16 萬元。

3 計(jì)算方法研究

3.1 計(jì)算模型初選

由于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)方案空間特征顯著，采用有限元方法按空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算更為適宜。對(duì)于高樁梁板碼頭的計(jì)算方法，張兵等[5]提出采用空間模型計(jì)算時(shí)，面板對(duì)樁基內(nèi)力影響較小，對(duì)縱橫梁彎矩影響較大，建議在設(shè)計(jì)中合理考慮面板對(duì)縱橫梁的約束影響；蔡建冬等[6]也針對(duì)面板對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響進(jìn)行了研究，面板可起到勻化水平荷載的作用，減少樁和梁的截面尺寸；關(guān)興[7]對(duì)水平力作用下碼頭樁基采用m 法和嵌固點(diǎn)法進(jìn)行了對(duì)比分析，提出對(duì)于全直樁碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算，嵌固點(diǎn)法計(jì)算結(jié)果較為保守，建議在施工圖階段，采用m 法進(jìn)行計(jì)算，保證結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計(jì)算的準(zhǔn)確性。結(jié)合上述研究成果及相關(guān)規(guī)范[8]要求，在進(jìn)行空間模型計(jì)算時(shí)，可適當(dāng)考慮面板的有利影響，采用m 法，利用ABAQUS 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。

3.2 單元類型選擇

根據(jù)各構(gòu)件的受力情況進(jìn)行分析，模擬采用的單元類型分述如下：

1）樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；

2）樁帽、大剛度塊體及擋浪邊板采用實(shí)體元進(jìn)行模擬；

3）由于樁基為空間布置，故上部橫梁、縱梁在非均布或?qū)ΨQ荷載作用下，會(huì)出現(xiàn)雙向受彎及受扭，因此橫梁及縱梁采用實(shí)體元進(jìn)行模擬最為適宜。且根據(jù)以往研究成果，縱橫梁中性軸位置若與工程實(shí)際不相符，會(huì)導(dǎo)致除樁力外的其他構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生較大誤差。故模型在建立時(shí)，需保證為按縱橫梁實(shí)際高程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[9]；

4）上方面板采用板單元進(jìn)行擬合。

3.3 樁基與上部結(jié)構(gòu)連接方式的擬合研究

在計(jì)算模型初步確定的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)樁基與上部結(jié)構(gòu)的連接方式進(jìn)行了擬合研究。根據(jù)工程特點(diǎn)，選擇Tie（綁定）、Coupling（耦合）及Embedded region（嵌入）三類方式進(jìn)行樁基與上部結(jié)構(gòu)連接方式的擬合研究，并細(xì)分為8 種模擬方式分別對(duì)樁頂變位、樁軸力、樁彎矩、樁身剪力進(jìn)行分析。

為便于分析計(jì)算結(jié)果，按照樁頂變位逐漸增大的趨勢(shì)，對(duì)8 種計(jì)算模式進(jìn)行編號(hào)：1）耦合-運(yùn)動(dòng)耦合；2）耦合-分布耦合；3）tie:樁+殼單元+樁帽實(shí)體單元（殼單元厚度0.8 m）；4）嵌入擬合（嵌入深度0.7 m）；5）tie:樁+殼單元；6）嵌入擬合（嵌入深度0.6 m）；7）嵌入擬合（嵌入深度0.1 m）；8）tie:樁+殼單元+樁帽實(shí)體單元（殼單元厚度0.2 m）。

圖6 計(jì)算結(jié)果分析Fige.6 Analysis of calculation results

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究分析可知：

1）樁頂變位呈遞增趨勢(shì)，可知上述8 種擬合方式的連接剛度逐漸減??；

2）除計(jì)算模式5 外，其余計(jì)算模式在軸力、彎矩和剪力的擬合結(jié)果均成漸變狀態(tài)；

3）連接方式的變化對(duì)樁基軸力和剪力影響不大，對(duì)樁基彎矩影響較為顯著，其中擬合方式1，即運(yùn)動(dòng)耦合方式計(jì)算所得彎矩較大。

因此，建議在進(jìn)行樁基與上部結(jié)構(gòu)連接方式擬合時(shí)，采用運(yùn)動(dòng)耦合方式進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算所得結(jié)果更為安全。

4 結(jié)語

1）本文針對(duì)中小型高樁梁板式結(jié)構(gòu)，其排架間距受限，樁基能力無法充分發(fā)揮的問題，通過優(yōu)化樁基布置、優(yōu)化結(jié)構(gòu)分縫型式及靠船構(gòu)件設(shè)置，提出一種新型高樁梁板式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和投資節(jié)約；

2）文中提出的新型簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)縫，集合了傳統(tǒng)簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)縫和橫梁分開式結(jié)構(gòu)縫的優(yōu)點(diǎn)，不僅加大了分縫段跨度，還可協(xié)調(diào)各結(jié)構(gòu)段變位，經(jīng)進(jìn)一步實(shí)踐檢驗(yàn)后，可加以推廣應(yīng)用；

3）大剛度靠船塊體與擋浪邊板組合形成的靠泊體系，不僅適用于中小型碼頭，在潮差較大的工程中，也可加以應(yīng)用；

4）在進(jìn)行有限元模擬計(jì)算時(shí)，采用m 法，在合理選用各構(gòu)件模擬單元類型基礎(chǔ)上，樁基與上部結(jié)構(gòu)的連接推薦采用運(yùn)動(dòng)耦合的方式加以模擬，計(jì)算結(jié)果偏于安全。