盧 陳，劉曉平，林積大，劉 霞

(1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410076;2.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

高樁碼頭在我國得到了廣泛應(yīng)用，是主要碼頭結(jié)構(gòu)型式之一，適用于可沉樁的各種地基，尤其是軟土地基.而對(duì)于水位差較大的碼頭，一般會(huì)采用多層系靠船結(jié)構(gòu)的全直樁高樁碼頭，其具有諸多優(yōu)點(diǎn):受力均勻合理;沉樁便捷;施工時(shí)期樁受力較小;能較好地適應(yīng)岸坡變形［1－2］.但與此同時(shí)，也存在一些不足，如樁端彎矩較大，可能造成樁端斷裂;碼頭結(jié)構(gòu)上的水平力全部由直樁承擔(dān)，而直樁抗擊水平力的能力相對(duì)弱;在較大水平力的作用下，結(jié)構(gòu)位移可能會(huì)超過限制值等.針對(duì)這一系列特點(diǎn)，要求碼頭結(jié)構(gòu)高以適應(yīng)大水位變幅下能正常裝卸作業(yè)、承受水平荷載較大以適應(yīng)大噸位船舶?？康忍攸c(diǎn)，由此提出了底梁式全直樁高樁碼頭.底梁式全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)是在全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在樁基上設(shè)置一層底縱橫梁.一方面，這種結(jié)構(gòu)保持了全直樁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用的樁基形式都是全直樁，不設(shè)置叉樁和斜樁，從而繼承了全直樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，如透空性好，阻流小等.另一方面，多設(shè)置一層底縱橫梁，可加強(qiáng)碼頭結(jié)構(gòu)的整體性，改變結(jié)構(gòu)的剛度與彎矩分配情況，提高承受水平荷載作用的能力，改善全直樁結(jié)構(gòu)的不足之處(見圖1).

底梁式全直樁高樁結(jié)構(gòu)對(duì)大水位差碼頭有較好的適用性，然而其結(jié)構(gòu)的受力特性還有待研究和探討.一般對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和彎矩計(jì)算，都簡(jiǎn)化至1個(gè)橫向排架內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，而且此結(jié)構(gòu)的橫向剛度是重要研究對(duì)象，通過單橫向排架能較清晰的反應(yīng)水平作用力的橫向傳遞規(guī)律，因此有必要對(duì)單橫向排架進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下單向排架受力特點(diǎn)、靠船橫梁及底橫梁的作用效果，從而探討水平荷載作用下底梁式全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)橫向受力特性.

圖1 底梁式全直樁高樁碼頭斷面Fig.1 Structure of mudsill all-vertical-piled and high-piled wharf

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)原型 試驗(yàn)原型如圖1所示，考慮到試驗(yàn)主要研究碼頭結(jié)構(gòu)的水平力分配問題，以及模型制作的復(fù)雜性，因此將試驗(yàn)原型進(jìn)行簡(jiǎn)化.簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示，首先結(jié)構(gòu)上不考慮面板和縱梁的作用，頂橫梁和底橫梁的尺寸分別為180 cm×100 cm和180 cm×150 cm，樁直徑均為160 cm;其次地基土簡(jiǎn)化為2層(黏土層和板巖)，黏土層的壓縮模量為3.6 MPa，密度為1 900 kg/m3，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.9%，板巖的單軸抗壓強(qiáng)度為1.2 MPa.

1.1.2 模型相似系數(shù)及比尺的選擇［4］試驗(yàn)主要保證彈性模量E和慣性矩I相似，然后根據(jù)相似三大定理進(jìn)行相似推導(dǎo)［5－6］.用方程分析法和量綱分析法作相似分析，得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨茀?shù).通過計(jì)算得各相似關(guān)系如下:

圖2 物理原型簡(jiǎn)化示意圖Fig.2 Structure sketch

式中:π1～π5為5個(gè)無量綱量;l為幾何尺寸;σ為應(yīng)力;ε為應(yīng)變;μ為泊松比;ρ為土密度;P為集中力.

滿足以上5個(gè)等式的相似條件，即能保證模型與原型相似.根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地及現(xiàn)有條件，擬定模型長度比尺SL=40，應(yīng)力比尺 Sσ=6，應(yīng)變比尺 Sε=1，彈性模量比尺SE=6，泊松比比尺 Sμ=1，集中力比尺=402×6=9 600.

1.1.3 模型材料的選擇及測(cè)定［7－10］根據(jù)相似比尺換算，結(jié)構(gòu)可采用PVC材料進(jìn)行模擬，而低彈性模量的巖層材料和低壓縮模量的土質(zhì)材料較為復(fù)雜，需要通過配比試驗(yàn)具體確定.對(duì)于巖層的模似，可通過在混凝土里添加石膏粉降低混凝土的強(qiáng)度而獲得合適的巖層模型材料;對(duì)于土質(zhì)層的模似，則主要考慮在黏土里加木屑的方法來降低其壓縮模量.具體的各材料關(guān)鍵物理量的標(biāo)定以及配比結(jié)果為:模擬鋼筋混凝土的PVC，彈性模量為4.99×103MPa;模擬黏土的土與木屑的質(zhì)量比為0.375，含水量為63.3%，濕密度為0.99 g/cm3，壓縮模量為1.004 MPa;模擬板巖的砂膠比為6，水泥石膏比為7∶3，極限抗壓強(qiáng)度為1.993 MPa，彈性模量為0.452×103MPa.

1.1.4 加載系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)相似比例換算SP=9 600，則80 t原型船舶撞擊力換算成模型加載量為8.5 kg，對(duì)結(jié)構(gòu)加載采用4，8，12，16和20 kg的多級(jí)重力間接加載法，加載位置定于水平荷載能產(chǎn)生最大的位移處，即頂橫梁處.

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 位移分析 荷載位移曲線見圖3.可見，各部分位移隨著荷載的增大，基本呈現(xiàn)線性增長的趨勢(shì).分析原因主要是在水平荷載較小時(shí)，提供土抗力的土的變形主要為彈性，即樁周土處于彈性變形階段，而碼頭結(jié)構(gòu)同樣也處于小變形的彈性范圍內(nèi)，因此整個(gè)位移趨勢(shì)基本出現(xiàn)線性增長趨勢(shì).側(cè)移從大至小分別為頂橫梁、樁中、底橫梁，說明各樁基以底橫梁以下的某點(diǎn)為嵌固點(diǎn)而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng).

1.2.2 彎矩分析 根據(jù)應(yīng)變計(jì)算得到各樁身在各級(jí)荷載下完整的彎矩分布見圖4.由于樁3與樁4，5彎矩變化規(guī)律相似，因此物理模型的彎矩分析主要選取樁1，2，3進(jìn)行.

由圖4可見，各樁在分級(jí)水平荷載作用下彎矩規(guī)律相似，均出現(xiàn)兩處反彎突變，即底橫梁部位和入基巖部位.各樁彎矩先沿樁身減少至底橫梁上部，達(dá)到最大負(fù)彎矩，然后在底橫梁處出現(xiàn)反彎，在地基作用下彎矩緩慢減少并在基巖部位再次出現(xiàn)反彎，最后彎矩緩慢減少至樁底附近趨于零.

圖3 荷載位移曲線Fig.3 Displacement curves under loading

圖4 各級(jí)荷載下的實(shí)測(cè)彎矩分布Fig.4 Measured bending moments under loading of all levels

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

碼頭結(jié)構(gòu)見圖1，高樁碼頭為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸按實(shí)際工程尺寸并進(jìn)行局部簡(jiǎn)化，地基則主要簡(jiǎn)化為淤泥質(zhì)粉土夾粉細(xì)砂、卵石及砂質(zhì)板巖三層，材料參數(shù)見表1.采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行空間三維模擬，其中X向表示垂直水流并指向陸側(cè)方向，Y向表示豎直向上方向，Z向表示順?biāo)鞣较?，有限元模型見圖5.結(jié)構(gòu)和土均采用線彈性模型和6面體8節(jié)點(diǎn)的solid 45單元;樁土體系的模擬采用接觸面單元相耦合的數(shù)值方法，該接觸面單元能較準(zhǔn)確地模擬樁土界面的摩阻力發(fā)揮與樁土間的相對(duì)位移的關(guān)系［3］.

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

表1 結(jié)構(gòu)、土材料參數(shù)Tab.1 Physic-mechanical parameters of soil and structure

2.2 數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)與室內(nèi)物理模型試驗(yàn)對(duì)比

本文采用數(shù)學(xué)模型和物理模型相結(jié)合的研究方法，針對(duì)船舶水平撞擊荷載(800 kN)作用下的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行分析.通過相似比例換算，對(duì)應(yīng)的模型荷載Fm=Fp/SF=800 kN/9 600=83 kN，即加載量為8.5 kg.物理模型試驗(yàn)直接測(cè)試內(nèi)容包括位移(Sx=40)和應(yīng)變(Sε=1)，而數(shù)學(xué)模型也能直接得出這兩項(xiàng)內(nèi)容，因此主要針對(duì)位移進(jìn)行對(duì)比分析，從而對(duì)數(shù)學(xué)模型的合理性進(jìn)行判斷.

物理模型的位移測(cè)試為頂橫梁、底橫梁、樁1中和樁2中共4個(gè)測(cè)點(diǎn)，提取相應(yīng)點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型位移結(jié)果，按位移比尺Sx=40進(jìn)行換算，再對(duì)兩種方法研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.經(jīng)數(shù)模計(jì)算的側(cè)向位移:頂橫梁4.43 mm，底橫梁2.61 mm，樁 2為 3.28 mm，樁 3 為 3.38 mm;物理模型得到的側(cè)向位移:頂橫梁 4.48 mm，底橫梁2.90 mm，樁2 為3.34 mm，樁3 為3.58 mm;兩者的誤差值依次為 1.23%，9.79%，1.89%和 5.65%.可見，物理模型結(jié)果略大于數(shù)學(xué)模型，誤差值均在10%以內(nèi)，說明和物理模型較為吻合，數(shù)學(xué)模型可用于本項(xiàng)研究的分析.

2.3 橫向傳遞規(guī)律分析

2.3.1 樁的受力分析 樁的側(cè)向位移見圖6.從圖6(a)可見，各樁位移值接近，均沿樁深方向逐漸減小，最大值4.5 mm出現(xiàn)在樁頂，最小值出現(xiàn)在入基巖處.從圖6(b)可見，各樁彎矩值較接近，彎矩先沿樁身減小至底橫梁上部，達(dá)到最大負(fù)彎矩－454 kN·m，然后在底橫梁處出現(xiàn)反彎，在底橫梁下部又出現(xiàn)最大正彎矩509 kN·m，最后在地基的反彎作用下彎矩緩慢減少并在樁底附近彎矩趨于零，而樁1和樁2由于受到靠船橫梁的相互協(xié)調(diào)作用，彎矩出現(xiàn)了局部突變.從圖6(c)可見，各樁首先在底橫梁的協(xié)調(diào)作用下，在底橫梁處剪力發(fā)生突變，然后再在強(qiáng)度較大的卵石層突變減小;樁1和樁2上部的剪力值相近，并有局部剪力突變現(xiàn)象，分析其原因主要是因?yàn)榭看瑱M梁在樁1和樁2間起到了相互協(xié)調(diào)的作用，致使兩樁的受力趨于一致性.經(jīng)計(jì)算各樁剪力比值為樁1∶樁2∶樁3∶樁4∶樁5=17.5%∶16.4%∶20.2%∶22.1%∶23.8%.可見，各樁的剪力差值較小，說明底橫梁和靠船橫梁能有效協(xié)調(diào)各樁的剪力大小，提高了樁基的整體抗水平力能力.

圖6 樁受力分析Fig.6 Mechanical analysis of piles

綜上可知，底橫梁和靠船橫梁對(duì)協(xié)調(diào)各樁位移變形起到了積極作用，但其作用機(jī)理需進(jìn)一步加以分析.從力學(xué)角度，我們可判斷底橫梁和靠船橫梁主要起到傳遞軸力的作用，因此，下面就頂橫梁、底橫梁和靠船橫梁的軸力變化規(guī)律進(jìn)行分析.

2.3.2 橫梁軸力分析 橫梁軸力見圖7.從圖7可知，頂橫梁均為受壓狀態(tài)，在樁的抗彎作用下，軸力值在樁后減小，特別是經(jīng)過樁1和樁2的抗彎作用后，頂橫梁軸力值從－800 kN變化到－228 kN，而底橫梁軸力值從0變化到－327 kN，說明在經(jīng)過樁1和樁2后，水平荷載從單純的頂橫梁傳遞轉(zhuǎn)化成了頂、底橫梁共同傳遞.

圖7 橫梁軸力Fig.7 Axial force of beams

3 結(jié)語

根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)底梁式全直樁碼頭在水平荷載作用下的橫向傳遞規(guī)律進(jìn)行分析，主要得到了以下結(jié)論:

(1)以彈性模量相似為重點(diǎn)進(jìn)行相似理論推導(dǎo)，并進(jìn)行配比試驗(yàn)選擇合適的模型材料，從理論上能較好地模擬水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn).

(2)側(cè)移從大至小分別為頂橫梁、樁中、底橫梁，說明各樁基以底橫梁以下的某點(diǎn)為嵌固點(diǎn)而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);各樁從上至下均在底橫梁處和入基巖處出現(xiàn)彎矩的突變，且隨著荷載的增大，變化幅度較其它部位明顯，因此，對(duì)此處樁身結(jié)構(gòu)可適當(dāng)進(jìn)行加固處理.

(3)各樁在分級(jí)水平荷載作用下彎矩規(guī)律相似，均在底橫梁和入基巖部位出現(xiàn)兩處反彎突變.各樁彎矩先沿樁身減小至底橫梁上部，達(dá)到最大負(fù)彎矩，然后在底橫梁處出現(xiàn)反彎，在地基作用下彎矩緩慢減小并在基巖部位再次出現(xiàn)反彎，最后彎矩緩慢減小至樁底附近彎矩趨于零.

(4)綜合分析單排架的橫向受力表明:增加底橫梁和靠橫梁后，一方面增加了碼頭結(jié)構(gòu)的整體剛度;另一方面軸力的傳遞途徑從單純的依靠頂橫梁傳遞轉(zhuǎn)變成了多橫梁同時(shí)傳遞，水平力分散到位置更低的底橫梁和靠橫梁進(jìn)行傳遞，從而降低了水平力的作用位置，相對(duì)減少了結(jié)構(gòu)柔性，增加了結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度.因此，增加底橫梁和靠橫梁能大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗水平力的能力.

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