李春平,王 彪
(中交第二航務工程勘察設計院有限公司,湖北 武漢 430071)
樁基部分占碼頭造價一半以上,同時樁基直接決定了碼頭結構是否安全穩(wěn)定,因此樁基設計對于碼頭結構設計而言非常關鍵。目前,河港普遍采用高樁梁板結構型式,常用的樁基結構型式有PHC管樁、鋼管樁、灌注樁、嵌巖樁等。長江中上游地區(qū)由于其水流力大、水位差大的特點,同時具備中風化巖等良好樁基持力層,常見的樁基型式為全直灌注型嵌巖樁并采用鋼護筒護壁。對于此類碼頭,由于持力層可達到較高的飽和單軸抗壓強度,豎向承載力均可滿足要求。巖體之上又有較厚覆蓋層,在水平荷載作用時,其上覆土層即滿足水平承載力要求,大多數(shù)情況下起控制的因素為碼頭結構位移。在碼頭結構設計中,設計人員基于保守考慮,通常做法是將鋼管強度作為富裕儲備,僅考慮砼芯柱的作用,實際受力機理應是鋼管和混凝土共同受力。在建筑和橋梁工程中,對鋼管混凝土樁基礎有一定的研究,如萬城勇等[1]通過試驗研究了配筋率、縱向受力鋼筋屈服強度等對鋼管混凝土受力性狀影響的變化規(guī)律。查曉雄等[2]利用疊加原理,提出了配筋鋼管混凝土構件的軸壓和抗彎承載力計算公式。千島湖大橋是國內首次對鋼管混凝土樁大規(guī)模應用的樁基。但在水運工程尤其是碼頭工程中,鮮見對鋼管混凝土樁基的研究應用。
本文以宜昌港宜都港區(qū)枝城作業(yè)區(qū)鐵水聯(lián)運碼頭一期工程為依托,利用易工有限元軟件進行有限元建模分析,探討鋼管混凝土樁基中樁徑、鋼管壁厚、砼強度等級、排架樁數(shù)、排架橫撐對碼頭結構位移的影響,為基于鋼管混凝土樁基碼頭設計提供參考。
圖1 碼頭結構斷面示意圖
1)風速采用9 級風,V=22 m/s。
2)設計高水位:47.20 m(三峽成庫后,控制枝城站流量56 700 m3/s 所對應的擬建港區(qū)水位);
設計低水位:35.27 m(保證率98 %);設計河底高程:30.77 m。
3)碼頭前沿最大流速為2.0 m/s。
4)樁基持力層:灰?guī)r,飽和單軸抗壓強度23.1 MPa。
平臺總長265 m,寬30 m。排架間距為8.8 m,共32 榀排架。排架基礎采用鋼管混凝土樁基礎,前排樁縱向設置鋼縱撐,為增加碼頭平臺的橫向剛度,橫向樁與樁之間設鋼橫撐。平臺上部結構由橫梁、前邊梁、后邊梁、軌道梁、縱梁、迭合面板、系纜平臺和鋼靠船構件等組成。
鋼管混凝土樁徑:選用6 種樁徑來分析,分別為0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m、1.4 m。
鋼管壁厚:分別選用δ=10 mm、12 mm、14 mm、16 mm 四種進行分析。
排架樁基數(shù)量:排架樁數(shù)分別選用n=4、5、6根進行分析。
砼強度等級:分別選用C30、C35、C40、C45進行分析。
碼頭面堆貨荷載標準值:按30 kN/m2考慮,軌道兩側各1.5m 范圍不考慮堆貨荷載。
起重機械荷載:41 t-22 m 集裝箱岸橋、45 t-30 m 多用途門機、25 t-30 m 門機。
流動機械荷載:40 英尺集裝箱拖掛車荷載、QC45 牽引車荷載、40 t 平板車荷載。
1)持久狀況承載能力極限狀態(tài)持久組合
永久作用(結構自重)+主導可變作用(裝卸機械荷載)+非主導可變作用(船舶荷載、碼頭面均布荷載、流動機械荷載);
永久作用(結構自重)+主導可變作用(船舶撞擊力)+非主導可變作用(碼頭面均布荷載、裝卸機械荷載、流動機械荷載);
永久作用(結構自重)+主導可變作用(船舶系纜力)+非主導可變作用(碼頭面均布荷載、裝卸機械荷載、流動機械荷載);
永久作用(結構自重)+主導可變作用(碼頭面均布荷載)+非主導可變作用(船舶荷載、裝卸機械荷載、流動機械荷載)。
2)持久狀況正常使用極限狀態(tài)準永久組合
永久作用(結構自重)+可變作用(裝卸機械荷載、碼頭面均布荷載、船舶荷載、流動機械荷載)。
采用易工有限元計算軟件,建立碼頭有限元模型,其中鋼管混凝土樁基簡化為下端嵌固在巖層中的彈性長樁,嵌固點深度采用m 法計算。樁和橫梁為剛性連接,梁板均為連續(xù)結構。
圖2 碼頭結構有限元模型
采用易工有限元軟件對碼頭結構進行建模計算,如圖所示。選用了6 種樁徑,4 種鋼管壁厚。下圖為碼頭結構位移隨樁基、鋼管壁厚的變化關系。
由圖3 可知:
圖3 碼頭位移隨樁徑、鋼管壁厚的變化規(guī)律
1)在鋼管壁厚δ=10 mm 下,樁徑由0.9 m 到1.0 m,位移減小8.2%;樁徑由1.0 到1.1,位移減小6.7%;樁徑由1.1 m 到1.2 m,位移減小5.7 %;樁徑由1.2 m 到1.3 m,位移減小4.9 %;樁徑由1.3 m 到1.4 m,位移減小4.1 %;
2)在鋼管壁厚δ=16 mm 下,樁徑由0.9 m 到1.0 m,位移減小7.1 %;樁徑由1.0 到1.1,位移減小5.8 %;樁徑由1.1 m 到1.2 m,位移減小4.9 %;樁徑由1.2 m 到1.3 m,位移減小4.4 %;樁徑由1.3 m 到1.4 m,位移減小3.7 %;
3)樁徑為0.9 m 時,鋼管厚度有δ=10 提高到δ=12,位移減小3.6 %;鋼管厚度有δ=12 提高到δ=14,位移減小3.3 %;鋼管厚度由δ=14 提高到δ=16,位移減小3.1 %;
4)樁徑為1.4 m 時,鋼管厚度有δ=10 提高到δ=12,位移減小2.1 %;鋼管厚度有δ=12 提高到δ=14,位移減小2.1 %;鋼管厚度有δ=14 提高到δ=16,位移減小1.9 %。
分析可知:提高樁基直徑和增加鋼管壁厚,對提高鋼管混凝土樁基剛度效果明顯,可顯著減小碼頭整體位移;在鋼管壁厚一定下,隨著樁徑的增加,對于提高剛度的影響越來越弱,不可一味的增加樁徑來減小碼頭位移。小樁徑時,增加鋼管壁厚對于提高碼頭剛度更為明顯,隨著樁徑的增加,通過增加壁厚提高剛度的影響越來越小。當樁徑較大時,增加鋼管壁厚對碼頭位移的影響不如小直徑樁。
選用了6 種樁徑、3 種排架樁數(shù)選用三種樁數(shù),分別建立有限元模型,研究樁徑和樁數(shù)對碼頭位移的影響規(guī)律。
由圖4 可知:
圖4 碼頭位移隨樁徑、樁數(shù)的變化規(guī)律
1)橫向排架設置4 根樁時,樁基直徑由0.9 m提高到1.0 m,位移減小7.1 %;樁基直徑由1.0 m提高到1.1 m,位移減小5.3 %;樁基直徑由1.1 m提高到1.2 m,位移減小4.5 %;樁基直徑由1.2 m提高到1.3 m,位移減小3.9 %;樁基直徑由1.3 m提高到1.4 m,位移減小3.1 %;
2)橫向排架設置6 根樁時,樁基直徑由0.9 m提高到1.0 m,位移減小8.5 %;樁基直徑由1.0 m提高到1.1 m,位移減小6.6 %;樁基直徑由1.1 m提高到1.2 m,位移減小5.8 %;樁基直徑由1.2 m提高到1.3 m,位移減小4.9 %;樁基直徑由1.3 m提高到1.4 m,位移減小4.4 %;
3)當樁基采用小直徑時(0.9 m),排架樁基根數(shù)由4 根提高到5 根,位移減小14.8 %;排架樁基根數(shù)由5 根提高到6 根,位移減小13.2 %;當樁基采用大直徑時(1.4 m),排架樁基根數(shù)由4 根提高到5 根,位移減小17.9 %,排架樁基根數(shù)由5 根提高到6 根,位移減小15.9 %。
分析可知:排架設置較多樁數(shù),更有利于增強排架剛度,減小位移;在一定的樁數(shù)下,隨著樁徑的增加,剛度提升作用減弱。當采用大直徑樁時,通過提高排架樁數(shù)相對于小直徑樁基對于減少碼頭位移更為有利。
實際碼頭設計過程中,不可一味的通過增加碼頭樁基直徑和排架樁數(shù)來提升碼頭剛度,應多方面進行技術經(jīng)濟比選。
選用了6 種樁徑、4 種砼強度等級分別建立有限元模型,研究樁徑和樁基砼強度等級對碼頭位移的影響規(guī)律。
由圖5 可知:
圖5 碼頭位移隨樁徑、砼強度等級的變化規(guī)律
1)樁徑為0.9 m 時,砼強度由C30 提高到C35,位移減小1.8 %;砼強度由C35 提高到C40,位移減小1.2 %;砼強度由C40 提高到C45,位移減小0.9 %;
2)樁徑為1.4 m 時,砼強度由C30 提高到C35,位移減小1.5 %;砼強度由C35 提高到C40,位移減小1.0 %;砼強度由C40 提高到C45,位移減小0.9 %;
分析可知:提高混凝土強度對于碼頭剛度的影響并不十分明顯;
隨著樁基直徑的增加,這種影響越來越弱,因此不建議采取提高混凝土強度的方式減小碼頭位移,河港設計中,砼強度等級選用C30 即可。
考慮不設置橫撐情況下,建立有限元模型,分別研究樁徑、鋼管壁厚以及樁徑、砼強度等級對碼頭結構位移的影響,并將結果和有橫撐的結果進行對比分析。
由圖6、圖7 可知:
圖6 樁徑、壁厚對位移的影響(無橫撐)
圖7 樁徑、砼強度等級對位移的影響(無橫撐)
1)無橫撐條件下,通過增加直徑和鋼管壁厚提高剛度的趨勢和有橫撐的情況相同;(2)當直徑為0.9 m 時,增加橫撐時,位移相較于沒有橫撐的情況,位移大幅減小,約為43.46 %;當直徑為1.4 m 時,增加橫撐時,位移相較于沒有橫撐的情況,位移大幅減小,約為42.06 %;
2)無橫撐條件下,通過提高砼強度等級的趨勢和有橫撐的情況大致相同。
因此,增加橫撐可顯著增加碼頭剛度,減小位移。對于大水位差框架碼頭,應優(yōu)先采取增加橫撐措施。
1)增加樁徑、提高鋼管壁厚、增加樁數(shù)均能提高碼頭剛度,減小結構位移,但影響程度不同,實際工程設計中,應綜合各方因素進行樁基選型和結構設計;
2)提高砼強度等級對減小碼頭結構位移不明顯,因此河港碼頭設計混凝土強度選用C30 即可;
3)增加橫撐可顯著增加碼頭剛度,減小位移。對于河港大水位差框架碼頭,應優(yōu)先采取增加橫撐等提高剛度措施。