李振國，張潤福，桂勁松

（1.山東省水產(chǎn)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013；2.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧大連 116023）

引 言

高樁碼頭樁基布置應(yīng)根據(jù)使用要求和地質(zhì)條件等因素合理確定，當(dāng)碼頭承受較大水平力時(shí)，沿受力方向宜布置叉樁或斜樁[1]。作用在橫向排架上的水平力絕大部分由叉樁承受，為了增大其承受水平抗力的能力，宜盡量放緩叉樁的坡度，工程中一般采用的最緩坡度為3：1。為避免樁在泥面下相碰，橫向排架的叉樁或斜樁在設(shè)計(jì)時(shí)需在平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，目前扭轉(zhuǎn)角度的確定主要從避免碰樁方面考慮，本文從水平荷載作用下橫向排架的內(nèi)力和變形方面進(jìn)行了研究。

對(duì)于梁板式高樁碼頭，橫梁和樁基組成的橫向排架是主體受力構(gòu)件，而由叉樁和直樁支承的橫梁是常見結(jié)構(gòu)形式，橫向排架受力后既有變位又有變形，屬于柔性樁臺(tái)，橫向排架內(nèi)力可簡化為平面問題分析[2]。橫向排架按平面桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，樁土相互作用可按m法計(jì)算，有經(jīng)驗(yàn)時(shí)也可按假想嵌固點(diǎn)法計(jì)算[1,3]；采用m法的核心問題是如何確定土的m值，雖然已有學(xué)者在這方面進(jìn)行了一些研究工作[4-8]，但是m法操作起來相對(duì)繁瑣；對(duì)于采用兩種方法得到的計(jì)算結(jié)果的差異程度，研究[9]顯示當(dāng)顯著水平α取0.05時(shí)，采用m法和假想嵌固點(diǎn)法計(jì)算樁土相互作用對(duì)水平力作用下橫向排架的內(nèi)力和變形的影響無顯著差異。

本文以某船舶工業(yè)園舾裝碼頭為例，基于假想嵌固點(diǎn)法采用固端約束模擬樁土相互作用，然后利用ANSYS 10.0進(jìn)行計(jì)算，在數(shù)值模擬階段，將叉樁平面扭轉(zhuǎn)角按照公差1°的等差數(shù)列從0°遞增到90°進(jìn)行分析，系統(tǒng)研究了水平荷載作用下叉樁平面扭轉(zhuǎn)角度對(duì)高樁碼頭橫向排架的影響，為工程實(shí)踐中合理確定扭轉(zhuǎn)角度提供了參考。

1 工程背景

某船舶工業(yè)園舾裝碼頭為鋼筋混凝土高樁梁板結(jié)構(gòu)，碼頭結(jié)構(gòu)段長80 m，寬10 m，橫向排架間距為6 m，橫梁長度為10 m，橫截面尺寸為1.0 m×1.2 m，采用C35F300混凝土，混凝土的彈性模量為3.15×1010Pa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3；樁基采用 PHC-C500(125)-LB管樁，直樁樁長為27 m（入土深度分別為17 m和18 m），斜樁長28.46 m（入土深度分別為20.03 m和21.08 m），樁的外徑為0.5 m，壁厚為0.125 m，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C80，彈性模量為3.8×1010Pa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

地基土層自上而下分別為4 m厚粘土、5 m厚粉土和粉細(xì)砂，粉細(xì)砂作為樁基持力層，粘土液性指數(shù)IL=0.15；粉土孔隙比e=0.5。根據(jù)規(guī)范[3]中硬塑狀黏性土的m值范圍和《建筑地基與基礎(chǔ)施工手冊(cè)》[10]中粘土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參考數(shù)據(jù)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，其m值取22 000 kN/m4。根據(jù)規(guī)范[3]中彈性長樁的相關(guān)規(guī)定，經(jīng)計(jì)算1.8T=2.43 m，小于粘土厚度4 m，故取粘土的m值22 000 kN/m4作為樁基入土深度范圍內(nèi)土體的m值；而4T=5.4 m，小于各樁的入土深度，故均為彈性長樁；然后采用假想嵌固點(diǎn)法求得受彎嵌固點(diǎn)距泥面深度范圍是2.43～2.97 m，樁頂無轉(zhuǎn)動(dòng)取較大值2.97 m。結(jié)構(gòu)簡化時(shí)不考慮樁帽的作用，假定樁與橫梁固接在一起，水平荷載作用在靠船側(cè)橫梁端部，計(jì)算示意見圖2。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意

圖2 橫向排架計(jì)算示意

2 建立有限元模型

通過 ANSYS 10.0建模[11]，橫梁用 BEAM4彈性梁單元模擬，樁基用PIPE16彈性直管單元模擬。根據(jù)橫梁和樁的幾何參數(shù)及材料屬性，設(shè)置BEAM4梁單元和PIPE16管單元的實(shí)常數(shù)；直樁和斜樁均劃分為27個(gè)等長度單元，直樁每個(gè)單元長度為1 m，斜樁每個(gè)單元長度為1.054 m。求得兩直樁的固結(jié)長度分別為14.03 m和15.03 m，嵌固點(diǎn)以下單元數(shù)分別為14個(gè)和15個(gè)。兩斜樁的固結(jié)長度分別為17.06 m和18.11 m，嵌固點(diǎn)以下單元數(shù)分別為16個(gè)和17個(gè)，將樁從嵌固點(diǎn)往下施加固端約束。建立的有限元模型見圖3。

圖3 固端約束有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

在數(shù)值模擬階段，將叉樁平面扭轉(zhuǎn)角按照公差 1°的等差數(shù)列從 0°遞增到 90°進(jìn)行了全面的分析，限于篇幅，不能將每個(gè)角度所對(duì)應(yīng)的內(nèi)力值和變形值全部列出，本文根據(jù)各個(gè)角度對(duì)橫向排架內(nèi)力和變形變化趨勢(shì)的影響規(guī)律，從91個(gè)角度中選擇了14個(gè)具有代表性的角度進(jìn)行計(jì)算分析。在每個(gè)等級(jí)的水平力作用下，分別計(jì)算叉樁取不同扭轉(zhuǎn)角度時(shí)橫向排架的內(nèi)力和變形，由于不同荷載作用下橫向排架的內(nèi)力圖和變形圖的形狀基本相同，只是內(nèi)力值和變形值的大小存在差異，所以只給出了橫向排架在水平力為80 kN，叉樁扭轉(zhuǎn)角為30°時(shí)的內(nèi)力和變形分布（圖4）以供參考。

圖4 橫向排架的內(nèi)力和變形

通過內(nèi)力圖和變形圖可以看出，在三種不同的水平力作用下，橫向排架的最大軸力在受壓斜樁④樁身處產(chǎn)生，最大剪力和最大彎矩均在與受壓斜樁④固接的橫梁處產(chǎn)生。為了便于數(shù)據(jù)的比較和處理，將橫向排架的相應(yīng)計(jì)算結(jié)果列表統(tǒng)計(jì)（表1）。

表1 橫向排架的最大內(nèi)力值

不同等級(jí)水平荷載作用下橫向排架的最大內(nèi)力和最大變形隨扭轉(zhuǎn)角變化的趨勢(shì)見圖5、圖6。

圖5 橫向排架的內(nèi)力變化趨勢(shì)

圖6 橫向排架的變形變化趨勢(shì)

通過以上圖中曲線變化的趨勢(shì)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下：

1）最大軸力分析：通過軸力變化趨勢(shì)圖可以看出，橫向排架的最大軸力隨著扭轉(zhuǎn)角的增大而減??；

2）最大剪力分析：橫向排架的最大剪力在橫梁處叉樁之間產(chǎn)生，在叉樁扭轉(zhuǎn)角從0°變化到90°的過程中，橫向排架的最大剪力呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，而且隨著所承受水平力的增大，出現(xiàn)最小剪力時(shí)對(duì)應(yīng)的叉樁扭轉(zhuǎn)角逐漸增大。

3）最大彎矩分析：在水平力的作用下，隨著叉樁扭轉(zhuǎn)角的變化，在產(chǎn)生橫向排架最小剪力對(duì)應(yīng)的叉樁扭轉(zhuǎn)角處，橫向排架的最大彎矩的變化趨勢(shì)發(fā)生變化，經(jīng)過該點(diǎn)后，最大彎矩由趨于線性變化轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂贤剐偷那€遞增，增大幅度明顯變大，即最大剪力變化曲線的最小值點(diǎn)就是最大彎矩變化曲線的拐點(diǎn)，這一點(diǎn)對(duì)于橫梁的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因此必須要考慮改點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的叉樁扭轉(zhuǎn)角。

4）橫向變形分析：橫向排架的最大橫向變形值均隨著叉樁扭轉(zhuǎn)角的增大而增大，且扭轉(zhuǎn)角為45°時(shí)最大橫向變形和最大縱向變形基本相同；

5）縱向變形分析：通過觀察數(shù)值模擬過程中橫向排架的變形圖可知，在水平力作用下，叉樁無扭轉(zhuǎn)角時(shí)，高樁碼頭橫向排架沒有側(cè)向變形，相當(dāng)于一個(gè)平面結(jié)構(gòu)。隨著叉樁扭轉(zhuǎn)角的變化，側(cè)向變形先增大后減小，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角變?yōu)?0°時(shí)側(cè)向變形趨于零。之所以產(chǎn)生這樣的變化規(guī)律，是因?yàn)樵陔S著叉樁扭轉(zhuǎn)角的增大，直樁和叉樁所承受的軸力也在不斷的變化，其中叉樁軸力對(duì)橫向排架的側(cè)向變形具有控制作用，通過軸力分布圖可以看到，叉樁中橫向排架后側(cè)的那根斜樁一直承受較大的壓力，而前側(cè)的那根斜樁在扭轉(zhuǎn)角很小時(shí)承受一定的拉力，隨著扭轉(zhuǎn)角的增大，其受力逐漸由拉力變?yōu)閴毫Σ⒉粩嘣龃?，由于方向與后側(cè)斜樁相反，從而兩根斜樁對(duì)橫向排架的側(cè)向作用相互抵消，側(cè)向合力逐漸減小，從而導(dǎo)致側(cè)向變形隨之減小。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角變?yōu)?0°時(shí)，兩根斜樁的側(cè)向作用基本相等，從而致使此時(shí)的側(cè)向變形趨于零。但是，在工程實(shí)際中不可能出現(xiàn)叉樁扭轉(zhuǎn)角變?yōu)?0°的情況，所以在高樁碼頭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，從而使側(cè)向變形在最大程度上相互抵消。

6）總體變形分析：橫向排架的最大總體變形均隨著扭轉(zhuǎn)角的增大而先增大后減小。

4 結(jié) 語

在水平力作用下叉樁的扭轉(zhuǎn)角對(duì)橫向排架的內(nèi)力和變形影響較大，在確定叉樁扭轉(zhuǎn)角時(shí)，應(yīng)該以最大剪力變化的最小值點(diǎn)或最大彎矩變化的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角為參考，同時(shí)考慮最大剪力和最大彎矩對(duì)橫梁設(shè)計(jì)的影響。

綜上所述，在進(jìn)行高樁碼頭橫向排架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合權(quán)衡軸力、剪力、彎矩對(duì)梁板及樁基的影響，選擇對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響最小的叉樁扭轉(zhuǎn)角度和布置位置，從而保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。