高桩码头在水平集中力作用下桩力计算方法探讨

杨亚先，张建红

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）



高桩码头在水平集中力作用下桩力计算方法探讨

杨亚先，张建红

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

在水平集中力作用下的高桩码头，分别采用平面排架与三维空间模型对桩基进行分析。从桩基内力结果看出，两种方法计算结果相近。但从技术发展、计算的直观、概念清晰以及业主的需求角度，建议工程设计人员更多的使用三维空间模型计算方法。

高桩码头；平面排架计算；三维空间模型计算

引 言

在高桩码头结构中，桩基内力的计算是工程设计的关键。从技术发展、计算的直观以及业主的需求角度，三维空间模型显然更具优势，且对于某些较为特殊的码头结构规范也认为结构内力宜按空间模型计算。本文分别采用平面排架与三维空间模型对高桩码头进行内力计算，并对计算结果进行分析。

1 基本概况

本文研究对象为印尼某工程，设计船型为14 000 DWT驳船，根据船舶荷载计算，最终选用两鼓一板700H锥型护舷，护舷间隔布置，单个护舷吸能量131 kJ，设计反力360 kN。码头桩台共分两个结构段，每个结构段长76.49 m（共10跨），宽度25 m，排架间距7.35 m，每个排架选用7根直径1.0 m的PHC桩，每个排架布置2对叉桩，3根单直桩。码头结构断面详见图1。

图1　码头结构断面

2 计算方法

本文主要研究高桩码头在水平力作用下泥面以上桩基内力计算，因此以下分析均按照嵌固点法计算，仅考虑撞击力不利组合作用下的受力情况。承受水平力的高桩码头结构入土深度宜满足弹性长桩条件。根据《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）中的公式确定T：

式中：

t为受弯嵌固点距泥面深度（m）；

T为桩的相对刚度特征值（m）；

h为系数，取1.8～2.2，桩顶铰接或桩的自由长度较大时取小值，桩顶无转动或桩的自由长度较小时取较大值；

Ep为桩的弹性模量（kN/m2）；

Ip为桩的截面惯性矩（m4）；

m为桩侧地基土水平抗力系数随深度增加的比例系数（kN/m4），当无试桩资料时，可按规范查表取值；

b0为桩的换算宽度（m），当 d≥1.0 m时，b0=kf（d+1），当d＜1.0 m时，b0=kf（1.5d+0.5）；

kf为桩形换算系数，圆桩或管桩取0.9，方桩或矩形桩取1.0。

根据中华人民共和国行业标准《港口工程桩基规范》（JTS 167-4-2012）弹性长桩、中长桩、刚性桩划分标准见表1。

表1　桩基划分标准

按照本工程地质条件，经计算受弯嵌固点距泥面深度1.8T～2.2T=5.4～6.0 m（取6.0 m）、4T=12 m，桩基结构的入土深度大于12 m满足弹性长桩条件，属于弹性长桩。

3 模型建立

3.1 平面排架模型的建立

根据码头结构几何尺寸，利用国际通用有限元计算软件ARGOL建立平面排架模型，不考虑叉桩的平面扭角。根据嵌固点法确定计算桩长，并对桩底进行各向平动和转动的全约束，见图2。

图2　平面排架模型

3.2 三维空间模型的建立

根据码头结构几何尺寸，利用国际通用有限元计算软件ARGOL建立三维墩台模型，为与平面模型一致也不考虑叉桩的平面扭角。根据嵌固点法确定计算桩长，并对桩底进行各向平动和转动的全约束，见图3。

图3　三维空间模型

3.3 荷载及材料参数

1）荷载

本文主要研究码头结构在水平撞击力不同组合作用下的受力情况，因此计算过程中仅考虑撞击力作用。两种计算模型的荷载考虑如下：

平面排架模型：根据实际受力情况，考虑单组或多组护舷荷载作用，护舷荷载通过分配系数分配到不同排架，然后对每个排架进行受力分析，找出各个排架的控制内力。

三维空间模型：根据实际受力情况，考虑单组或多组护舷荷载作用在高桩码头的一个完整结构段上，然后对每个排架进行受力分析，找出各个排架的控制内力。

2）材料

PHC桩：桩的弹性模量 Ep=3.8×107 kN/m2；泊松比μ取0.2。

纵横梁：梁的弹性模量Ep=3.35×107 kN/m2；泊松比μ取0.2。

4 内力分析

利用平面排架模型及三维空间模型分别对 11个排架中的四个主要桩力进行了计算，得出在撞击力作用下各桩桩力标准值。计算结果见表 2。表中拉桩力为正，压桩力为负。计算误差数值以平面排架计算结果为基础，将三维模型计算结果大于平面排架计算结果定为正值，小于平面排架计算结果定为负值。

表2　各桩桩力值对比

从表2中可以看出，两种计算方法得出的每个排架上拉桩力和压桩力分布趋势基本一致，大部分桩的桩力值结果相差不超过6 %，但极个别排架桩力值结果相差较大，最大误差达到16.5 %。

5 结 语

1）针对以上布桩形式，采用两种计算方法得出的每个排架上拉桩力和压桩力分布趋势基本一致，大部分桩的桩力值结果相差不超过6 %，但极个别排架桩力值结果相差较大，最大误差达到16.5 %，误差最大的排架出现在结构段端头的两个排架。鉴于此，建议工程设计人员在进行此种布桩形式的高桩码头结构设计中采用三维空间模型分析方法。

2）高桩码头布桩形式受桩基施工的影响，排架内斜桩均会与排架有一定夹角。因此，实际每根桩会在平面上产生两个方向的弯矩，而采用平面排架模型仅能得到排架方向弯矩和剪力，不能得到垂直于排架方向的弯矩和剪力。

3）对于某些结构较为特殊，比如纵向刚度特别大或特别小及需纵向承受水平荷载的高桩码头结构建议采用三维空间模型进行结构计算。

本文只是针对一种布桩形式进行了平面模型与三维空间模型桩基结构受力的对比，在实际工程中根据不同的边界条件，不同的桩基布置形式，两种模型计算的桩基受力结果也会有所不同，设计人员在进行工程设计时，要结合具体的布桩形式，合理选择计算模型。

［1]JTS167-1-2010 高桩码头设计与施工规范［S］.

［2]JTS167-4-2012 港口工程桩基规范［S］.

［3]翟秋， 鲁子爱， 朱峰. 撞击力作用下拱式纵梁码头排架受力特性分析［J］. 中国港湾建设， 2013（5）: 1-4.

［4]王多垠， 张华平， 史青芬， 等.大水位差全直桩框架码头排架中的水平撞击力分配系数研究［J］. 中国港湾建设， 2009（3）: 23-25.

Discussion on Pile Load Calculation Method Applying to Piled Wharf under Horizontal Concentrated Force

Yang Yaxian， Zhang Jianhong
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

For the piled wharf under horizontal concentrated force， the piled foundation has been analyzed by using plane bent method and 3D space-model respectively. The above two methods deduce similar internal force of pile foundation. However， it is proposed to adopt 3D space-model from the aspects of technical development，computing visualization， concept clarity and need by the client.

piled wharf； plane bent calculation； 3D space-model calculation

TU473.1+2

A

1004-9592（2016）03-0041-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160311

2015-08-10

杨亚先（1981-），女，工程师，主要从事水工结构设计工作。