秦曉東

（長江南京航道局，江蘇 南京 210000）

海運是現(xiàn)代社會經(jīng)濟貿(mào)易過程中非常重要的一種交通運輸形式，有著其他運載方式無可替代的優(yōu)點，比如運輸限制比較少、運輸費用比較低等，常用于國際貿(mào)易、長途貿(mào)易以及大宗貿(mào)易等。特別對我國來說，我國的海岸線長度排名世界前列，再加上我國近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速，港口成了連接國內(nèi)外貿(mào)易的重要樞紐，其質(zhì)量和使用效率會直接影響到我國經(jīng)濟的發(fā)展。鋼板樁碼頭是現(xiàn)代碼頭的主要形式之一，在我國，沿海和內(nèi)河港口都有著非常廣泛的應(yīng)用?；诖耍疚闹鲗︿摪鍢洞a頭建設(shè)過程中的受力進行了分析，具體如下：

1 概述

所謂的鋼板樁式碼頭，就是將一定長度的鋼板型樁打入地基，以此來構(gòu)成一面連續(xù)墻，然后通過拉桿、帽梁、導(dǎo)梁和錨碇等結(jié)構(gòu)共同組合成的直立式樣的碼頭。在修建過程中，將板樁埋在土下，以此產(chǎn)生側(cè)向的土抗力，然后通過上部的錨錠結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定整體，以此來構(gòu)成碼頭的主體。

板樁結(jié)構(gòu)不僅在碼頭的修建中有所使用，在其他類型的擋土和擋水工程中也有著比較廣泛的應(yīng)用，之所以如此，是應(yīng)為該結(jié)構(gòu)有著結(jié)構(gòu)相對簡單、造價較低而且施工方便等優(yōu)點，在具體施工時，可以先進行打板樁，然后再進行港池的挖建，達到減少工程量的目的。目前使用較多的板樁結(jié)構(gòu)材料主要有兩種。第一種是鋼筋混凝土材料，該種材料的優(yōu)點是耐久性非常好，而且價格也相對低廉，第二種是鋼板樁材料，這種材料的優(yōu)點是質(zhì)量更小，而且強度更高，連接處非常緊密，止水效果更好，更加容易進行沉樁操作，同時還可以進行重復(fù)利用，兼具了環(huán)保節(jié)能的功效，所以使用的范圍更加廣泛。

上世紀(jì)20年代，板樁結(jié)構(gòu)開始在諸如日本、美國、英國等國家得到應(yīng)用，而且并非只限制于碼頭領(lǐng)域，在碼頭的建設(shè)，船閘的修建、擋土墻以及河岸壁壘等。隨著不斷的實踐和深化，鋼板樁結(jié)構(gòu)因其簡單方便、承載力強、耐腐蝕等優(yōu)點得到了更大范圍的應(yīng)用，隨著修建環(huán)境的不斷變化，對其受力要求也越來越高，對施工工藝和承載能力提出了進一步的要求，在具體的施工過程中，該結(jié)構(gòu)的碼頭主體比較容易受到各種不利因素的影響，甚至具體的安裝流程或者施工順序不同，也會造成結(jié)果產(chǎn)生差異。所以，在下文的案例分析中，我們將會用對其受力特性進行分析，就具體施工過程中板樁的位移情況、各方帶來的壓力以及彎矩變化等層面，以此來對其施工流程中的受力情況有個全面的分析。

2 相關(guān)文獻綜述

根據(jù)碼頭受力方式和結(jié)構(gòu)形式的差異，我們通常將碼頭分為重力式碼頭、高樁式碼頭以及板樁式碼頭三種，上面我們在概述中說到過，鋼板樁式碼頭由于其自身的優(yōu)點，受到了更為廣泛的應(yīng)用。在具體的施工過程中，由于施工過程的影響，經(jīng)常會使碼頭處于超載的狀態(tài)，而且隨著時間的延長，各個構(gòu)建也會出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，進一步導(dǎo)致位移，基于這種現(xiàn)狀，對于其應(yīng)力和位移進行分析就具有非常重要的意義，不僅能夠有效地分析出碼頭施工過程中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的規(guī)律，以減少其損失，還可以對以后的其他項目的建設(shè)提供有效的參考。

影響鋼板樁碼頭應(yīng)力和位移的因素比較雜，比如溫度的高低、施工順序的不同、外部荷載量的大小以及構(gòu)件的銹蝕程度等，在不同的條件下，需要分析的重點因素也就不同。我國相關(guān)方面的研究從來沒間斷過，比如劉振平等學(xué)者在其文章中使用ABAQUS 方法對鋼板樁碼頭在冬天和夏天兩種極端溫度條件下的受力進行了分析；而李侃學(xué)者也進行過類似的研究，他的研究重點放在了樁身側(cè)向位移、樁身土產(chǎn)生的壓力以及彎矩的變化規(guī)律等，對施工過程中鋼板樁的受力結(jié)構(gòu)進行了分廠全面的分析；王世明則使用的是ANSYS 分析方法，通過建立相關(guān)的計算模型，分析了鋼板樁在完整、銹蝕以及局部三種條件下分別進行了分析。鋼板樁碼頭所使用到的拉桿和錨錠是鋼板樁碼頭的主要傳力部件，也是其之所以能夠承擔(dān)碼頭修建責(zé)任的關(guān)鍵構(gòu)件，就目前來看，需要將周圍的土去掉，才可以進行相關(guān)的操作，并沒有什么更加成熟的檢測方法。在進行檢測的時候，我們通過在頂部安裝傳感器的方式，來對受力大小進行監(jiān)測，這樣節(jié)省了后續(xù)監(jiān)測的流程，降低了檢測難度，以此達到動態(tài)檢測的目的，該方法更加準(zhǔn)確，而且也很方便，但是一定要在修建之初就安裝才可以。下面我們通過對拉桿軸力、表層位移大小的檢測來對鋼板樁碼頭的應(yīng)力和變化規(guī)律進行總結(jié)。

3 工程概括

本次分析選取的鋼板樁碼頭工程具體數(shù)據(jù)如下，工程總長度為363.89 米，高程約5.5 米，主要采用單錨板樁結(jié)構(gòu)。板樁的選擇方面，主要采用的是HZ975B-12/AZ18 組合型鋼板，使用低合金鋼強拉桿將主體與混凝土錨碇墻進行相連。上部修建的時候，我們使用的是現(xiàn)澆胸墻的工藝，將胸墻和帽梁合在一起。在板樁墻上，我們設(shè)置有排水孔，以此來減小主體承受的水壓強，在排水孔后方，增設(shè)有混合倒濾棱體，以此來防治回填的土被沖走。

3.1 有限元模型搭建

在組合鋼板樁和回填拋石以及回填土地的時候，我們都使用了8 節(jié)點的solid45 實體單元進行了搭建和模擬，針對樁體結(jié)構(gòu)，我們選用了線彈性模擬，而針對另外兩個主題，我們使用的是D-P 本構(gòu)關(guān)系達成測量目的，在坐標(biāo)軸構(gòu)建的時候，我們選用碼頭的橫截面作為X 軸，指向陸地的地方為正，使用鉛垂方向為Y 軸，然后向上的方向為正值，將碼頭的前沿線作為最后的Z 軸，這樣整體的坐標(biāo)軸就得以建立。我們將鋼板樁的斷面作為標(biāo)準(zhǔn)，來進行模型寬度的計算。對于地基基礎(chǔ)底，在XY 三個方向進行約束，從四個側(cè)面也分別施加了法向約束。在構(gòu)建的過程中，我們根據(jù)結(jié)構(gòu)集合的特性進行了一定程度的概念化，不會影響各項數(shù)據(jù)的觀測，具體如下圖所示：

3.2 材料參數(shù)

不同的材料對于主體機構(gòu)的受力也會產(chǎn)生不同的影響，在材料參數(shù)的選取方面，我們也嚴(yán)格按照物理力學(xué)參數(shù)的規(guī)定，使用工程地質(zhì)資料及有關(guān)的規(guī)范進行了選取，具體的計算參數(shù)如下：

?

3.3 工況分析

施工流程的不同，也會影響到碼頭主體的受力情況，本案例中，在施工的具體流程方面，我們首先采用的是水上施打鋼板樁，第二步使用分層的方式對鋼板樁的前后進行回填，使用現(xiàn)澆的方式制作錨碇結(jié)構(gòu)，鋼拉桿安裝，最后進行碼頭上部結(jié)構(gòu)的澆筑。本文選取的階段為碼頭鋼板樁沉樁已經(jīng)結(jié)束，錨碇結(jié)構(gòu)尚未施工的中間階段，在這個時間段，由于回填土的作用，結(jié)構(gòu)受力正處在不穩(wěn)定階段，根據(jù)現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)分析，我們將接下來的施工流程分為三個階段進行，具體工況如下，工況1：板樁墻前后拋石階段，工況2：錨碇結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)回填，工況3：板樁墻后回填。

3.4 數(shù)值計算

在數(shù)值計算方面，本次模型試驗選用了ANSYS 軟件對上述的三個施工階段進行了數(shù)值模擬，然后通過后期的計算，對三個階段中鋼板樁水平位移情況和鋼板樁應(yīng)力情況分別進行了記錄。

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 水平位移分析

在對結(jié)果進行分析的時候，我們對水平位移的最大值進行了分析，同時也對最大位移值的變化規(guī)律進行了探索，兩者都不是固定的，而是會隨著施工的不同階段而偏移，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在工況1 的階段，水平位移的深度和方向基本處于同一變化趨勢下，水平位移的數(shù)據(jù)變化較小，分析原因，可能是因為板樁墻前后都進行了回填拋石的施工處理，這樣前后就處于一個對稱的現(xiàn)象，土壓基本相等，不會促使其發(fā)生位移；在2 階段，我們開始進行錨地結(jié)構(gòu)的施工，這個時候鋼板樁的位移相對比較明顯，會朝著海的方向開始位移，樁尖處沒有發(fā)生位移的趨勢，從樁尖的位置開始，水平位移的數(shù)值逐步增大，距離樁尖10 米的位置達到位移最大值，最大值約為10.1 毫米，然后開始呈現(xiàn)減小的趨勢，樁頂?shù)乃轿灰茢?shù)據(jù)約為8.7 毫米。在3 階段，墻后土基本回填完成，這個時候鋼板樁開始受到后土的壓力，這個時候樁頂?shù)乃轿灰茢?shù)據(jù)達到了施工階段的最大值，大約為31.9 毫米，隨著深度的不斷向下，位移的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)變小趨勢，仍然是樁尖的位置位移最小，基本不會出現(xiàn)水平位移的情況。

在1 階段，整體的受力應(yīng)該處于-17.1MPa～4.97MPa的區(qū)間內(nèi)，這個時候的受力最大值約為4.97MPa，最大受壓應(yīng)力大約為61.3MPa，最大壓應(yīng)力的發(fā)生區(qū)域，經(jīng)過檢測和計算應(yīng)該在樁尖的位置，后續(xù)應(yīng)力不斷變??；在2 階段，整體的應(yīng)力范圍應(yīng)該處于-33.3MPa～5.39MPa的區(qū)間，最大拉應(yīng)力值約為24.7MPa，最大壓應(yīng)力約為149MPa，最小值的發(fā)生區(qū)域，最大壓應(yīng)力的變化規(guī)律和之前階段基本保持一致，最大拉應(yīng)力的位置區(qū)域隨著深度的加大而變化。在2 階段，整體的應(yīng)力范圍為-56.4MPa～23.3MPa，最大拉應(yīng)力為23.3MPa，與之前階段相比，明顯的變小，最大壓應(yīng)力則增加為216MPa，高于之前階段，最值的區(qū)域和變化規(guī)律基本和之前階段保持一致。通過分析我們可以知道，三個工段的應(yīng)力值范圍都處于鋼板樁結(jié)構(gòu)的安全可控范圍之內(nèi)。

3.5.2 結(jié)果分析

本文在對鋼板樁結(jié)構(gòu)進行受力分析的時候，采用的是ANSYS 建立的三維有限元實體模型，通過接觸單元，將樁土之間的受力關(guān)系模擬了出來，然后使用生死單元技術(shù)計算出其受力過程中的具體數(shù)值，從而得出結(jié)論，在不同的工況情況下，鋼板樁水平位移的數(shù)值呈現(xiàn)不同的變化，同時，我們對回填施工過程中的水平位移情況以及受力變化規(guī)律也進行了進一步分析，主要結(jié)論如下：

最大水平位移的情況為第三工況階段的施工過程中，也就是在對板樁墻后進行回填施工后，最大的位移值可以達到31.9 毫米，最大位移位置為樁頂位置，為了限制這種情況的發(fā)生，減少位移，我們在施工過程中需要加強相關(guān)方面的檢測，對于回填的速度也要進行嚴(yán)格把控，同時，回填完成后盡快完成拉桿裝置，進行后續(xù)的施工。鋼板樁的最大拉應(yīng)力發(fā)生在第二工況階段，最大值可以達到24.7MPa,最大壓應(yīng)力值發(fā)生在第三工況階段，最大值可以達到216MPa，對整個流程進行對比，可以發(fā)現(xiàn)最大壓應(yīng)力值是大于最大拉應(yīng)力值的，但是兩個最大值都處于剛才允許的受力范圍內(nèi)，不會造成安全事故。同時我們也要看到，由于鋼板樁結(jié)構(gòu)本身工藝較為復(fù)雜，除了本身的材質(zhì)外，不同的施工方法，對結(jié)構(gòu)受力形狀也會帶來不同的影響，在本文的撰寫中，有些情況并未寫到，比如就沒有考慮回填土的蠕變效應(yīng)，對于土地的排水固結(jié)沉降也沒有考慮到，但是實際上這些問題都會對整體結(jié)構(gòu)形狀造成影響，后續(xù)有機會會進行相關(guān)研究，完善本文的觀點。

4 總結(jié)

鋼板結(jié)構(gòu)的受力情況會直接影響到碼頭的使用壽命，對其研究能夠有效地改善施工過程中可能發(fā)生的形變和位移現(xiàn)象，提高使用效率，避免相關(guān)安全事故的發(fā)生，研究其規(guī)律，在后續(xù)項目的施工中減少不必要的損耗，提高碼頭行業(yè)的整體效益。希望通過相關(guān)文獻的撰寫能夠引發(fā)相關(guān)方面的思考，當(dāng)然文末也提到了，我們在文章撰寫的時候考慮的因素并不是非常全面，希望能讓更多相關(guān)人員參與到相關(guān)研究中，共同為碼頭行業(yè)的進步和發(fā)展而努力，助推祖國經(jīng)濟貿(mào)易實業(yè)騰飛。