高桩码头承载特性三维数值模拟

蒋建平， 魏建华， 马恒

(上海海事大学 海洋科学与工程学院， 上海 201306)

0 引 言

高桩码头指由桩基及上部结构组成的各种码头，主要有梁板式、桁架式、前板桩、后板桩等结构形式.高桩码头结构轻、受力明确，适宜做成透空式；减弱波浪的效果好，适于软土地基；但结构单薄，耐久性差，构件易损坏并难于修复，对地面超载及装卸工艺变化适应性差.[1-6]

高桩码头处在海陆交接地带，环境脆弱，受力非常复杂.[7-10]目前，对一根单桩的受力和变形都无法进行精确的计算，对高桩码头就更是如此，所以，很有必要加强高桩码头承载性状的研究.目前对高桩码头的研究已取得较多的研究成果[11-14]，但将整个高桩码头作为一个整体，且考虑堆场、岸坡土体、桩基础、上部结构共同作用的研究较少.鉴于此，本文基于有限元软件ABAQUS开展高桩码头三维承载性状的研究.

1 数值仿真模型构建及工况设置

1.1 数值模型构建

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题.ABAQUS拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，含有非常丰富的岩土工程本构模型.ABAQUS经过在国内外近30年的广泛应用，其可靠性得到广泛而有效的验证.

根据《港口工程载荷规范》和《高桩码头设计与施工规范》并参考与高桩码头相关的文献建立ABAQUS的几何模型和计算模型.取纵向24 m为研究范围，包括：前承台3个排架，排架间距7 m；后承台7个排架，排架间距3.5 m.前承台为梁板柔性桩台结构，绝大部分为预制构件；前方起重机梁为矩形断面；后方起重机梁是局部加厚的钢筋混凝土面板，该面板为预应力板；横梁为非预应力梁；桩距3.6 m.对岸坡形式进行简化，坡度比为1∶3，简化为单层土进行模拟，接岸处设有混凝土挡土墙.前承台宽14 m，后承台宽15.7 m.

前承台横梁与纵梁均为矩形截面桩，其中：横梁尺寸为1.4 m×0.9 m；纵梁尺寸为0.9 m×0.5 m；前承台直桩、后承台直桩、叉桩均为50 cm×50 cm方桩，叉桩坡度比为3∶1，直桩长23.5 m，采用C40混凝土.

本模型中岸坡土体、桩、梁、板等均采用三维实体单元：桩采用C3D8R实体单元，将桩身划分为均匀的六面体单元；梁板及岸坡土体结构采用C3D4实体单元，将梁板及岸坡土体划分为四面体单元.数值模拟中，桩采用理想弹性模型，土采用理想弹塑性模型.数值计算模型见图1，材料参数见表1.

图1数值计算模型

表1 材料参数

1.2 数值模拟中工况设置

表2 工况设置

基于ABAQUS的三维有限元计算中，设置7种工况(见表2)，主要模拟承台载荷与堆场载荷及其不同组合情况下的桩基受力变形情况.

工况1考虑前、后承台及堆场均布载荷；工况2考虑前承台均布载荷；工况3考虑后承台均布载荷；工况4考虑堆场均布载荷；工况5考虑前、后承台均布载荷；工况6考虑前承台和堆场均布载荷；工况7考虑后承台和堆场均布载荷.

2 码头桩承载性状分析

通过数值分析，获得各工况下的各类位移和内力图.限于篇幅，仅选取工况1，4，6下的位移云图和矢量图，见图2.以码头中的一排桩为代表分析各桩桩身的位移和弯矩，各桩序号见图3.各工况下前、后承台各桩的桩身位移分布见图4和5.

从图2(a)和2(b)可以看出，由于在工况1下整个码头的总位移从堆场、后承台到前承台逐渐减小，后承台桩基础对岸坡土体的遮帘作用使得前承台桩基础位移减小；堆场下土体、承台板的位移方向主要为左下，即向下斜指海侧，而岸坡土体的位移主要为近水平指向海侧，使得岸坡中的桩的位移方向也主要为近水平指向海侧.

(a) 工况1下三维位移场云图(单位:m)

(c) 工况4下三维位移场云图(单位：m)

(e) 工况6下三维位移场云图(单位：m)

(b) 工况1下剖面中的位移矢量图

(d) 工况4下剖面中的位移矢量图

(f) 工况6下剖面中的位移矢量图

图3 中间排桩中的桩序号

图4在工况1～7下前承台桩身位移分布

图5在工况1～7下后承台桩身位移分布

由图2(c)～2(f)发现，工况4和6下码头的位移场云图和位移矢量图与工况1下的大体类似，但也有明显区别，主要体现在图2(c)～2(f)中后承台及其下的桩基础的位移都小于前承台，主要是由于高桩码头只受到堆场的均布载荷，土体位移呈现顺时针绕流的趋势，使得越靠近海测的岸坡其上翘趋势越明显，表现为前承台的位移大于后承台位移.因此，只有堆场载荷时前承台呈现明显的斜向上的移动趋势，对码头前沿港口机械的安装及稳定运行不利，在码头施工及运行时应给予注意.

通过对比工况4和6下的位移矢量图可以看出，土体的运动趋势大体相同，但在工况6下前承台受到向下的均布载荷因而靠近海测的岸坡的上翘趋势减缓，表现为前承台的位移主要集中于水平方向.在工况4下前承台位移是由于在堆场载荷作用下土体挤压使得前承台上翘，表现为前承台既有水平向海侧的位移又有向上的位移；而在工况6下由于前承台受到的竖向力作用抵消其向上的位移，在土的挤压作用下表现出水平向右的位移.

由图4和5可以看出桩身的位移主要有2种情形，在工况1，4，6，7下桩身整体位移较大，其余工况下桩身整体位移则较小.通过比较发现工况1，4，6，7都包含堆场载荷，这说明影响桩身位移的主要因素是堆场载荷.此外由于岸坡土的约束使桩基础7 m以下的入土段的位移较小且集中，上部的悬空段的位移较大且分散.在7个工况下，桩身向海侧的位移最大不超过20 mm.

由弯矩分布图(见图6和7)可以看出，桩身弯矩不会因为堆场载荷是否存在而分为两种不同的趋势，各个工况下的桩身弯矩分布情况较桩身位移集中，只是土体以上的桩身弯矩有所变化，变化范围主要为(-45～20) kN·m.另外，数值模拟结果显示，高桩码头应力最大的部位一般位于叉桩与桩帽的接触部位.

图6在工况1～7下前承台桩身弯矩曲线

图7在工况1～7下后承台桩身弯矩曲线

3 结 论

针对本文的地基情况，对各工况进行基于ABAQUS的数值模拟，得出结论：(1) 各工况下码头的位移各异，但有规律可循.总体来说，整个码头以向海侧的位移为主.(2) 对于有堆场载荷的工况，无论是前承台桩基还是后承台桩基，堆场载荷都是使其产生向海侧位移的主要因素，前、后承台上的竖向载荷对桩基础的影响相对较小；在各工况下桩身向海侧的位移最大不超过20 mm.(3) 各个工况下的桩身弯矩分布较桩身位移集中，桩入土段的弯矩很小，仅土体以上悬空段的桩身弯矩较大，最大值的绝对值在45 kN·m以内.(4) ABAQUS经过长期在岩土工程中的应用，已相当成熟和可靠.本文建立的三维高桩码头有限元模型可用来研究高桩码头的承载性状.

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