趙 軍

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,天津 300456)

高樁碼頭作為三大碼頭結(jié)構(gòu)形式之一,廣泛應(yīng)用于軟土地基[1]。樁基與上部結(jié)構(gòu)組成橫向排架,是高樁碼頭的主要受力單元[2-3]。樁基布置不僅影響整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)的受力和造價(jià),還影響施工[4-5]。高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),橫向排架樁基的布置型式合理與否成為了碼頭工程的核心問題[6-7]。

本文以單個(gè)橫向排架為計(jì)算單元,采用假想嵌固點(diǎn)法,利用Midas Civil 2013建立有限元模型[8-9],通過對全直樁樁基排架、叉樁樁基排架及扇形樁基排架在相同受力條件下內(nèi)力分布情況進(jìn)行比較分析研究,提出不同樁基布置型式橫向排架的適用工況,為碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究方案及模型建立

1.1 研究方案

橫向排架作為高樁碼頭的主要受力單元,影響其內(nèi)力分布的因素較多[10-12],包括排架結(jié)構(gòu)自身的樁基布置型式、排架所受外部荷載及排架工程區(qū)域土基的性質(zhì)等[13]。本文采用假想嵌固點(diǎn)法,利用Midas Civil 2013建立有限元模型,將樁基樁尖處設(shè)置為固結(jié),忽略土基對排架內(nèi)力分布的影響,通過對不同樁基布置型式的排架結(jié)構(gòu)分別施加相同的水平向荷載及豎向荷載[14-16],進(jìn)而分析排架的內(nèi)力分布情況。

1.2 模型建立

采用Midas Civil 2013軟件建立全直樁樁基橫向排架、叉樁樁基橫向排架及扇形樁基橫向排架等3個(gè)有限元模型(見圖1)[17-18]。全直樁樁基橫向排架,橫梁主尺度為13 m×1.5 m×2 m(長×寬×高),樁基采用6根φ800 mm全直鋼管樁,單樁樁長10 m;叉樁樁基橫向排架,橫梁主尺度為13 m×1.5 m×2 m(長×寬×高),樁基采用3對φ800 mm鋼管叉樁,單樁樁長10 m,樁基斜度4∶1,平面扭角15°;扇形樁基橫向排架,橫梁主尺度為13 m×1.5 m×2 m(長×寬×高),樁基采用6根φ800 mm鋼管斜樁,單樁樁長10 m,樁基斜度4∶1。

1.3 計(jì)算工況

為了研究不同樁基布置型式橫向排架在外荷載作用下的內(nèi)力分布狀況[19-21],根據(jù)外荷載的實(shí)際情況,設(shè)置水平荷載研究工況和豎向荷載研究工況兩種計(jì)算工況。

水平荷載研究工況：分別在三種橫向排架模型的橫梁截面形心處施加500 kN軸向水平壓力,分析研究三種模型橫梁及樁基構(gòu)件的內(nèi)力分布情況。

豎向荷載研究工況：分別在三種橫向排架模型的橫梁頂部施加20 kN/m的豎向線性均布壓力荷載,分析研究三種模型橫梁及樁基構(gòu)件的內(nèi)力分布情況。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 水平荷載研究工況

2.1.1 排架彎矩計(jì)算結(jié)果

圖2為三種不同樁基布置型式的橫向排架,在水平荷載500 kN作用下各構(gòu)件的彎矩分布情況。圖2中顯示,三種排架樁基彎矩分布趨勢一致,由于樁基布置的不同,樁基對橫梁的約束情況不一,引起橫梁彎矩分布各不相同。全直樁樁基橫向排架以橫梁長度方向中點(diǎn)為分界線,靠近受力側(cè)橫梁下側(cè)受拉,遠(yuǎn)離受力側(cè)橫梁頂部受拉,彎矩在相鄰樁間按三角形分布;叉樁樁基橫向排架橫梁彎矩受叉樁布置的影響,彎矩分布在一對叉樁間從正彎矩過渡到負(fù)彎矩;扇形樁基橫向排架以橫梁長度方向中點(diǎn)為分界線,靠近受力側(cè)橫梁下側(cè)受拉,遠(yuǎn)離受力側(cè)橫梁頂部受拉,彎矩整體以三角函數(shù)型式分布。

表1統(tǒng)計(jì)了三種不同樁基布置形式的橫向排架,在水平荷載500 kN作用下各構(gòu)件的彎矩極值情況。表1中顯示,在相同水平荷載作用條件下,全直樁樁基橫向排架樁基所受彎矩最大,叉樁樁基橫向排架橫梁及樁基所受彎矩均為最小值,扇形樁基橫向排架橫梁所受彎矩最大。

2.1.2 樁基軸力計(jì)算結(jié)果

圖3為三種不同樁基布置型式的橫向排架,在水平荷載500 kN作用下樁基軸力分布圖。圖3中顯示,三種排架由于樁基布置的不同,樁基的軸力分布各不相同。全直樁樁基橫向排架受力側(cè)樁基軸向拉力最大,非受力側(cè)樁基軸向壓力最大,從受力側(cè)向非受力側(cè)排架樁基軸力由受拉逐漸過渡為受壓;叉樁樁基橫向排架樁基軸力分布以一對叉樁為單位保持一致,叉樁靠近受力側(cè)斜樁受拉,遠(yuǎn)離受力側(cè)斜樁受壓;扇形樁基橫向排架樁基軸力分布以橫梁長度方向中點(diǎn)為分界線,靠近受力側(cè)樁基受力受拉,遠(yuǎn)離受力側(cè)樁基受壓,而且靠近中心處樁基軸力最大,遠(yuǎn)離中心方向軸力逐漸減小。

表2統(tǒng)計(jì)了三種不同樁基布置型式的橫向排架,在水平荷載500 kN作用下樁基軸力的極值情況。表2中顯示,在相同水平荷載作用條件下,全直樁樁基橫向排架樁基所受軸力最小,叉樁樁基橫向排架樁基所受軸力次之,扇形樁基橫向排架樁基所受軸力最大。

表2 樁基軸力統(tǒng)計(jì)表 kN

2.2 豎向荷載研究工況

2.2.1 排架彎矩計(jì)算結(jié)果

圖4為三種不同樁基布置型式的橫向排架,在豎向線荷載20 kN/m的作用下各構(gòu)件的彎矩分布情況。圖4中顯示,在相同豎向荷載作用下,橫向排架的樁基布置形式對各自樁基所受的彎矩影響較小,由于樁基布置的不同,各排架橫梁所受的彎矩分布有所不同。全直樁樁基橫向排架與扇形樁基橫向排架對橫梁的約束點(diǎn)相同,故橫梁彎矩分布相同。叉樁樁基橫向排架由于樁基布置的特殊性,橫梁彎矩分布呈現(xiàn)兩個(gè)彎矩最大點(diǎn)。

表3統(tǒng)計(jì)了三種不同樁基布置形式的橫向排架,在豎向線荷載20 kN/m的作用下各構(gòu)件的彎矩極值情況。表3中顯示,在相同豎向荷載作用下,橫向排架各構(gòu)件所受彎矩受樁基布置型式的影響較小,各模型的橫梁及樁基所受彎矩基本相同。

表3 橫向排架彎矩統(tǒng)計(jì)表 kN·m

2.2.2 樁基軸力計(jì)算結(jié)果

圖5為三種不同樁基布置型式的橫向排架,在豎向線荷載20 kN/m的作用下樁基軸力分布圖。圖5中顯示,三種排架樁基軸力分布均勻,各樁基所受軸力保持一致。

表4統(tǒng)計(jì)了三種不同樁基布置型式的橫向排架,在豎向線荷載20 kN/m的作用下樁基軸力的極值情況。表4中顯示,在相同豎向荷載作用條件下,三種樁基布置型式橫向排架樁基所受軸力基本相同,由于叉樁樁基橫向排架樁基及扇形樁基橫向排架樁基斜率的影響,樁基所受軸力略有不同。

表4 樁基軸力統(tǒng)計(jì)表 kN

3 結(jié)語

作為高樁碼頭的主要受力單元,通過對三種不同樁基布置型式的橫向排架分別施加水平荷載及豎向荷載,從橫向排架受力的角度分析得出以下結(jié)論：

1)三種樁基布置型式橫向排架內(nèi)力分布受水平荷載影響因素較大,當(dāng)碼頭所受水平荷載為主導(dǎo)因素時(shí),需考慮排架的樁基布置型式。

2)由叉樁樁基橫向排架組成的高樁碼頭適用性較強(qiáng),由于樁基及橫梁所受彎矩較小,地基承載能力較強(qiáng)的工程場地,可以適當(dāng)減小樁基及上部構(gòu)件的截面尺寸,達(dá)到節(jié)約成本的目的。

3)由全直樁樁基橫向排架組成的高樁碼頭由于樁基軸力最小,適用地基承載能力較低的工程場地,通過適當(dāng)?shù)脑黾訕痘吧喜拷Y(jié)構(gòu)的截面尺寸,可以確保碼頭的安全性。