李艷清

摘 要：高樁碼頭結(jié)構(gòu)位移產(chǎn)生的樁彎矩采用嵌固點(diǎn)法，由于嵌固點(diǎn)法對(duì)位移作用下計(jì)算的內(nèi)力誤差較大，因此計(jì)算位移產(chǎn)生的樁彎矩不宜采用嵌固點(diǎn)法，故本文提出碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法，考慮了樁頂?shù)倪B接情況、樁的泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素。得出以下結(jié)論：①直樁與叉樁受樁頂水平變位影響不大，但叉樁會(huì)產(chǎn)生軸力；樁頂剛接時(shí)產(chǎn)生彎矩、剪力值大于樁頂鉸接。②在縱向水平力作用下，近似將所有基樁的樁頂合成為一個(gè)水平剛度，可減小單樁承載力，其值約為原承載力的1/20。本文所提出的計(jì)算方法能考慮樁頂?shù)倪B接情況、樁的泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素，可為設(shè)計(jì)確定分段長(zhǎng)度的計(jì)算方法，同時(shí)研究溫差與縱向荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形計(jì)算問(wèn)題，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值，并可為今后修訂高樁碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)補(bǔ)充縱向計(jì)算內(nèi)容提供參考。

關(guān)鍵詞：高樁碼頭 縱向內(nèi)力 水平荷載 直樁 叉樁

1.引言

現(xiàn)行高樁碼頭規(guī)范沒(méi)有明確規(guī)定縱向力及溫差對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響如何計(jì)算，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中通常采用以下兩種方法：①假設(shè)縱向力由專(zhuān)門(mén)設(shè)置的縱向叉樁承擔(dān)；②采用空間有限元方法計(jì)算縱向作用。前者雖然計(jì)算簡(jiǎn)便，但卻沒(méi)有考慮到大量的直樁與橫向叉樁可參與抵抗縱向水平力的作用，也沒(méi)有考慮伸縮縫受力閉合后相鄰分段的共同工作，一般適合于采用簡(jiǎn)單措施增加碼頭縱向水平抗力的計(jì)算。后者采用空間有限元計(jì)算縱向作用又過(guò)于復(fù)雜，實(shí)際上縱向水平力及溫差對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力相對(duì)不大，無(wú)需精確計(jì)算。

由于嵌固點(diǎn)法對(duì)水平荷載作用下計(jì)算的內(nèi)力精度較高，而對(duì)位移作用下計(jì)算的內(nèi)力誤差較大。因此，本文提出結(jié)構(gòu)縱向簡(jiǎn)化方法，考慮樁頂連接情況、樁泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素的影響，采用精度相對(duì)較高的m法計(jì)算荷載及位移產(chǎn)生的樁內(nèi)力；同時(shí)研究溫差與縱向荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形計(jì)算問(wèn)題，可做為設(shè)計(jì)確定高樁碼頭分段長(zhǎng)度的計(jì)算方法。

2.計(jì)算基本假定

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性與結(jié)構(gòu)力學(xué)基本理論，結(jié)構(gòu)縱向內(nèi)力設(shè)計(jì)計(jì)算作如下假定：

（1）上部結(jié)構(gòu)的混凝土收縮、氣象溫差伸縮將帶動(dòng)樁頂產(chǎn)生水平變位，導(dǎo)致基樁產(chǎn)生內(nèi)力?？紤]到碼頭平臺(tái)平面變形剛度遠(yuǎn)大于基樁樁頂?shù)乃絼偠龋Y(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，可近似認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)的混凝土收縮、氣象溫差伸縮在平面上的變形是不受約束的。

（2）基樁的樁頂連接分為剛接和鉸接兩種形式?？紤]到剛接樁頂轉(zhuǎn)角剛度一般遠(yuǎn)小于縱梁體系的轉(zhuǎn)角剛度，故可近似假定剛接樁頂在混凝土收縮、氣象溫差伸縮及縱向荷載作用下樁頂不產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。

（3）縱向計(jì)算不考慮結(jié)構(gòu)的平面扭轉(zhuǎn)影響。長(zhǎng)分段結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比較大，無(wú)論混凝土收縮、氣象溫差伸縮、或碼頭上的縱向荷載作用，所產(chǎn)生的碼頭扭角都不大，可以忽略平面扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的內(nèi)力。

（4）基樁受拉與受壓的軸向剛度不變。即叉樁在水平力作用下結(jié)點(diǎn)基本不產(chǎn)生豎向位移，忽略樁頂結(jié)點(diǎn)在溫差及水平力作用下產(chǎn)生的豎向位移。

3.樁基內(nèi)力分析

3.1樁頂單位水平位移產(chǎn)生的樁內(nèi)力

先分析直樁內(nèi)力，然后以直樁的成果為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析斜樁的內(nèi)力。

（1）直樁內(nèi)力計(jì)算

假定泥上高度為h，樁身抗彎剛度為EI，樁相對(duì)剛度系數(shù)為T(mén)，樁頂水平位移為δ。

① 當(dāng)樁頂鉸接時(shí)，樁頂水平剛度為：

確定。（樁身A= 0.4 81 m2，I=0.0713m4，E取39GkPa，相對(duì)剛度T=2.587m。），當(dāng)樁頂水平位移為δ=10mm時(shí)，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如下：

樁頂鉸接時(shí)，由（式1）得U=657kN/m，由（式5～8）得樁頂剪力Qt=2642*0.01=26.4kN、樁頂彎矩Mt=0；泥面剪力Qs=26.4kN、泥面彎矩Ms=26.4*10=264kN·m；按（式9～10）得泥下彎矩Mλ=292kN·m。

樁頂剛接時(shí)，由（式3 ～ 4）得Ψ=7. 3 0 5 m，U =1 0 2 9 5 k N / m，由（式5 ～ 8）得樁頂剪力Qt=10295*0.01=102.9kN、樁頂彎矩Mt=7.305*102.9=752kN·m；泥面剪力：Qs=102.9k N、泥面彎矩Ms=277kN.m；按（式9～10）得泥下彎矩Mλ=434kN·m。

當(dāng)樁頂鉸接時(shí)，由（式1）得U=2657kN/m，由（式5～8）得樁頂剪力Qt=2642×0.097=25.6kN，樁頂彎矩Mt=0；泥面剪力Qs=25.6kN、泥面彎矩Ms=25.6kN·m；由（式9～10）得泥下最大彎矩Mλ=283kN·m。

當(dāng)樁頂剛接時(shí)，由（式2～3）式得Ψ=7.305m，U=10295k N/ m，由（3-5）～（3-8）式得樁頂剪力Qt=10295*0.097=99.9kN，樁頂彎矩Mt=7.305×99.9=730kN·m；泥面剪力Qs= 99.9k N、泥面彎矩Ms=269kN·m；由（式9～10）得泥下最大彎矩Mλ=421kN·m。

通過(guò)以上計(jì)算示例可知，直樁與叉樁受樁頂水平變位影響不大，但叉樁會(huì)產(chǎn)生軸力；樁頂剛接時(shí)產(chǎn)生彎矩、剪力值大于樁頂鉸接。

計(jì)算示例3：某碼頭分段有10榀排架，每榀排架有8根φ1000大管樁，樁泥上長(zhǎng)度10m，樁頂剛接，其它情況與上例相同，假定排架的橫向叉樁與直樁的單樁樁頂?shù)目v向剛度近似相等，均取U=10295kN/ m，在第二榀排架處另布置有一對(duì)縱向受力叉樁，斜度為4：1，樁頂軸向剛度為K= 4 0 0 0 0 0k N/ m，樁頂縱向水平剛度約為400000/4+10295=110295kN/m，則在縱向水平力為5000kN作用下：

碼頭縱向位移約為：y=5000/（10295*8*10+110295*2）=0.0048m

縱向叉樁每根樁承受的軸力約為：N=0.0048/4*400000=480KN（如假設(shè)縱向水平力全部由縱向叉樁承擔(dān)，則每根樁軸力為5000/2*4=10000kN。）

由此可知，在縱向水平力作用下，近似將所有基樁的樁頂合成為一個(gè)水平剛度，單樁承載力約為原承載力的1/20。

5.總結(jié)計(jì)算步驟

（1）按下式計(jì)算直樁水平剛度U和斜樁水平剛度V

（5）將樁頂內(nèi)力作為外荷載計(jì)算縱梁、樁帽或下橫梁的內(nèi)力。假設(shè)樁頂反力對(duì)縱梁產(chǎn)生的彎矩為MZ，對(duì)樁頂為中間支座情況，兩側(cè)縱梁彎矩取MZ/2；對(duì)樁頂為邊緣支座情況，內(nèi)側(cè)縱梁彎矩取MZ。樁帽內(nèi)力可根據(jù)樁頂反力由靜力平衡法直接確定。當(dāng)采用無(wú)樁帽形式、樁基沿下橫梁布置時(shí)，在溫差及水平荷載作用下斜樁樁頂反力對(duì)橫梁的作用可分解為豎直和水平兩個(gè)方向計(jì)算。

6.結(jié)論

（1）本文解決了高樁碼頭在溫差與荷載作用下的縱向設(shè)計(jì)計(jì)算問(wèn)題，所提出的計(jì)算方法能考慮樁頂?shù)倪B接情況、樁的泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素，可為設(shè)計(jì)確定分段長(zhǎng)度的計(jì)算方法。

（2）直樁與叉樁受樁頂水平變位影響不大，但叉樁會(huì)產(chǎn)生軸力；樁頂剛接時(shí)產(chǎn)生彎矩、剪力值大于樁頂鉸接。

（3）在縱向水平力作用下，近似將所有基樁的樁頂合成為一個(gè)水平剛度，可減小單樁承載力，其值約為原承載力的1/20。

（4）考慮在溫差與荷載作用下高樁碼頭的縱向計(jì)算方法，應(yīng)用簡(jiǎn)便合理，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求，可作為縱向溫差、受力與縱向抗震的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。所推薦的計(jì)算公式均采用顯式表示，適合采用電子表格計(jì)算，方便設(shè)計(jì)應(yīng)用。

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