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        板樁式塢墻結(jié)構(gòu)的計算分析

        2023-03-02 00:14:12趙家旺文藻
        珠江水運 2023年2期
        關(guān)鍵詞:變形結(jié)構(gòu)施工

        ◎ 趙家旺 文藻

        1.中交三航局第二工程有限公司;2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司

        1.引言

        船塢是一種供船舶修造的大型結(jié)構(gòu)工程,一般分為浮船塢和干船塢。其中干船塢結(jié)構(gòu)主要包括塢室、塢口、水泵房、圍堰、基坑等。作為船塢結(jié)構(gòu)的核心部分,塢墻結(jié)構(gòu)可采用重力式、樁基承臺式、板樁式、半重力式、混合式和襯砌式結(jié)構(gòu)。對于地基承載力較低的工程環(huán)境,宜采用板樁式塢墻結(jié)構(gòu)。

        同樣是板樁結(jié)構(gòu),板樁式塢墻與板樁碼頭有很多相似之處,如分為前墻、拉錨結(jié)構(gòu)、后墻等;前墻多采用組合鋼板樁或地連墻形式;后錨碇多采用混凝土墻或樁等形式。主要計算內(nèi)容有前墻踢腳穩(wěn)定性、錨碇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、拉桿內(nèi)力、前墻內(nèi)力等。但是,板樁式塢墻又有其獨特之處:

        (1)在修造船工況,前墻前面沒有水壓力作用,為“干”的情況;而板樁碼頭墻前有水壓力作用。

        (2)由于船塢底板的存在,在使用期,塢墻前方時刻有底板的支撐作用;而板樁碼頭沒有。

        基于以上兩點的主要不同,板樁式塢墻的設(shè)計和施工也要有所特殊考慮。本文以南亞地區(qū)某項目為例,結(jié)合板樁式塢墻施工工序和結(jié)構(gòu)特點進行設(shè)計計算分析,為相關(guān)工程項目提供參考。

        2.工程項目簡介

        干船塢主尺度為135x28x13.8m,沒有中間塢門,塢底標高為-7.0m,塢頂標高為+6.8m。塢墻采用板樁式結(jié)構(gòu),前墻塢壁采用?1219鋼管樁&AZ20-700鋼板樁組合樁結(jié)構(gòu)形式,錨碇結(jié)構(gòu)采用AZ20-700鋼板樁,鋼拉桿直徑為65mm,間距1.5m。頂部胸墻采用混凝土結(jié)構(gòu),內(nèi)部設(shè)有公用廊道,下部為門機前軌支撐樁,樁型采用φ800mmPHC管樁。塢底板采用混凝土板結(jié)構(gòu),厚度為1.5m,下部為φ500mmPHC管樁支撐。

        由于地基土多為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等軟弱土層,故采用水泥攪拌樁進行地基處理,置換率40%。

        3.主要施工工序及危險工況

        塢墻結(jié)構(gòu)的主要施工工序為:

        ①塢底板樁基施工—②塢壁組合板樁施工—③門機軌道PHC樁施工—④錨碇板樁施工—⑤拉桿安裝及拋石—⑥塢室開挖—⑦塢底板施工—⑧樁帽及軌道梁施工—⑨胸墻施工—⑩塢頂回填。

        整個過程均為干施工狀態(tài),可以看出,在第六步塢室開挖完成后,第七部塢底板施工前,塢墻結(jié)構(gòu)處于墻前沒有底板支撐作用,且沒有水壓力作用的危險狀態(tài),此時為施工期的危險工況。整體施工完成后,塢頂設(shè)計荷載達到了使用期荷載,此時為使用期的危險工況。

        此外,由于塢壁結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于完成狀態(tài),在塢底板施工前會一直處于受力狀態(tài),實際上會存在一定的變形協(xié)調(diào)。等到塢底板施工完畢后,底板的支撐作用形成,塢壁在底板位置處的變形基本上可以忽略不計,但是前期已經(jīng)發(fā)生的變形為永久變形,不會因為塢底板的施工而將變形“頂回去”,故仍需要考慮[1]。

        4.設(shè)計計算

        4.1 設(shè)計輸入條件

        主要計算參數(shù)如表1所示。

        表1 計算參數(shù)

        土質(zhì)參數(shù)如表2所示,地面均載30kPa(施工期為10kPa)。

        表2 地質(zhì)參數(shù)

        4.2 設(shè)計工況

        根據(jù)前文施工工序分析,首先將計算模型分為施工期和使用期(本文暫不考慮地震作用)。

        1)施工期采用設(shè)計高低水位進行計算,墻前沒有底板支撐,塢頂標高為+2.5m,即塢頂開挖面高程,頂面受施工期荷載。

        2)在施工期計算完成后,讀取前墻在船塢底板位置處(約-7.75m)的變形值。假定在塢底板施工完成后,此位置的后續(xù)變形為零。

        3)使用期采用極端高低水位、設(shè)計高低水位進行計算,墻前有底板支撐,需要在模型中給定一個假定“剛度系數(shù)”。塢頂標高為+6.8m,受使用期荷載。

        4)通過調(diào)整假定的“剛度系數(shù)”值大小,將使用期計算得到的前墻底板位置處變形值,與施工期計算得出的一致,此時為最終的計算模型。值得注意的是,在計算使用期模型時,需按照設(shè)計水位分別調(diào)整模型,使各個水位計算得出的底板位置處變形值均為給定值[2]。

        如果不考慮施工期位移,在使用期計算模型中直接定底板剛度系數(shù),會造成兩種結(jié)果:

        1)給定的剛度系數(shù)偏小。使用期前墻變形位移較大,大于施工期的變形數(shù)值,總體結(jié)果偏大;

        2)給定的剛度系數(shù)偏大。使用期前墻變形位移較小,小于施工期的變形數(shù)值,總體結(jié)果偏??;

        綜上,設(shè)計工況如下:

        施工期:

        CLS1:自重+主動土壓力(設(shè)計高水位)+堆載土壓力(設(shè)計高水位)+滲流力(設(shè)計高水位);

        CLS2:自重+主動土壓力(設(shè)計低水位)+堆載土壓力(設(shè)計低水位)+滲流力(設(shè)計低水位)。

        使用期:

        ULS1:自重+主動土壓力(極端高水位)+堆載土壓力(極端高水位)+滲流力(極端高水位);

        ULS2:自重+主動土壓力(設(shè)計高水位)+堆載土壓力(設(shè)計高水位)+滲流力(設(shè)計高水位);

        ULS3:自重+主動土壓力(設(shè)計低水位)+堆載土壓力(設(shè)計低水位)+滲流力(設(shè)計低水位);

        ULS4:自重+主動土壓力(極端低水位)+堆載土壓力(極端低水位)+滲流力(極端低水位)。

        4.3 計算結(jié)果

        1)前墻踢腳穩(wěn)定計算結(jié)果見表3。

        表3 前墻踢腳穩(wěn)定結(jié)果

        2)錨碇板樁穩(wěn)定計算結(jié)果見表4。

        表4 錨碇板樁穩(wěn)定結(jié)果

        3)構(gòu)件內(nèi)力計算結(jié)果見表5。

        從表5可以看出,施工期前墻最大應(yīng)力約為168MPa,使用期前墻最大應(yīng)力約為184MPa,施工期產(chǎn)生的內(nèi)力已經(jīng)占到了最終使用期的90%,這說明塢墻結(jié)構(gòu)的大部分受力變形在施工期就已經(jīng)發(fā)生了,在實際的計算分析中必須要考慮進去。

        表5 構(gòu)件內(nèi)力結(jié)果

        根據(jù)本文以及項目其他鉆孔計算結(jié)果,施工期前墻底板位置處的位移均在30mm左右;使用期給定的“底板剛度系數(shù)”在12000kN/m左右。如果按照常規(guī)的計算方法,采用EA/L的方式計算“底板剛度系數(shù)”,其結(jié)果遠大于12000kN/m。這也是合理的,因為在船塢的實際結(jié)構(gòu)中,塢底板厚度為1.5m,斷面方向的長度為28m,是一個剛性極大的支撐。但是如果直接在使用期計算中給定這個剛度系數(shù),則前墻在底板處幾乎沒有變形,而由于此處剛度極大,反而造成了附近位置處應(yīng)力集中,結(jié)果失真[3]。

        計算得出的變形和彎矩圖如圖1、圖2所示??梢缘贸觯皦Φ淖冃位痉蠅]墻結(jié)構(gòu)的實際變形協(xié)調(diào);前墻的彎矩也基本過渡平滑,出現(xiàn)了板樁結(jié)構(gòu)中常見的彎矩分布形態(tài),即前墻在拉桿位置以下、墻前泥面位置以上出現(xiàn)最大彎矩。

        圖1 使用期結(jié)構(gòu)變形結(jié)果

        圖2 使用期結(jié)構(gòu)彎矩結(jié)果

        5.結(jié)論

        (1)與板樁碼頭結(jié)構(gòu)不同,板樁式塢墻結(jié)構(gòu)由于船塢底板的存在,以及前墻無水壓力作用,其計算模式應(yīng)特殊考慮。并應(yīng)結(jié)合施工工序,找出危險工況,將計算分為施工期和使用期,按照實際施工時的結(jié)構(gòu)形式、荷載條件,分別進行分析。

        (2)考慮到施工期塢墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了一定的永久變形,故在使用期需要通過調(diào)整底板剛度系數(shù),將施工期產(chǎn)生的變形協(xié)調(diào)考慮進去,再疊加使用期的工程結(jié)構(gòu)以及荷載條件。

        (3)由計算結(jié)果可知,施工期已經(jīng)發(fā)生的塢墻內(nèi)力和變形,占據(jù)了最終使用期結(jié)果的90%左右,這說明施工期產(chǎn)生的內(nèi)力和變形是比較大的,需要在計算中考慮進去。

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