水平荷载作用下叉桩扭转对高桩码头排架的影响

李振国，张润福，桂劲松

（1.山东省水产设计院，山东 济南 250013；2.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁大连 116023）

引 言

高桩码头桩基布置应根据使用要求和地质条件等因素合理确定，当码头承受较大水平力时，沿受力方向宜布置叉桩或斜桩[1]。作用在横向排架上的水平力绝大部分由叉桩承受，为了增大其承受水平抗力的能力，宜尽量放缓叉桩的坡度，工程中一般采用的最缓坡度为3：1。为避免桩在泥面下相碰，横向排架的叉桩或斜桩在设计时需在平面内扭转一个角度，目前扭转角度的确定主要从避免碰桩方面考虑，本文从水平荷载作用下横向排架的内力和变形方面进行了研究。

对于梁板式高桩码头，横梁和桩基组成的横向排架是主体受力构件，而由叉桩和直桩支承的横梁是常见结构形式，横向排架受力后既有变位又有变形，属于柔性桩台，横向排架内力可简化为平面问题分析[2]。横向排架按平面杆系结构计算时，桩土相互作用可按m法计算，有经验时也可按假想嵌固点法计算[1,3]；采用m法的核心问题是如何确定土的m值，虽然已有学者在这方面进行了一些研究工作[4-8]，但是m法操作起来相对繁琐；对于采用两种方法得到的计算结果的差异程度，研究[9]显示当显著水平α取0.05时，采用m法和假想嵌固点法计算桩土相互作用对水平力作用下横向排架的内力和变形的影响无显著差异。

本文以某船舶工业园舾装码头为例，基于假想嵌固点法采用固端约束模拟桩土相互作用，然后利用ANSYS 10.0进行计算，在数值模拟阶段，将叉桩平面扭转角按照公差1°的等差数列从0°递增到90°进行分析，系统研究了水平荷载作用下叉桩平面扭转角度对高桩码头横向排架的影响，为工程实践中合理确定扭转角度提供了参考。

1 工程背景

某船舶工业园舾装码头为钢筋混凝土高桩梁板结构，码头结构段长80 m，宽10 m，横向排架间距为6 m，横梁长度为10 m，横截面尺寸为1.0 m×1.2 m，采用C35F300混凝土，混凝土的弹性模量为3.15×1010Pa，泊松比为0.2，重度为25 kN/m3；桩基采用 PHC-C500(125)-LB管桩，直桩桩长为27 m（入土深度分别为17 m和18 m），斜桩长28.46 m（入土深度分别为20.03 m和21.08 m），桩的外径为0.5 m，壁厚为0.125 m，混凝土的强度等级为C80，弹性模量为3.8×1010Pa，泊松比为0.2，重度为25 kN/m3。码头结构断面见图1。

地基土层自上而下分别为4 m厚粘土、5 m厚粉土和粉细砂，粉细砂作为桩基持力层，粘土液性指数IL=0.15；粉土孔隙比e=0.5。根据规范[3]中硬塑状黏性土的m值范围和《建筑地基与基础施工手册》[10]中粘土的力学性质指标参考数据并结合工程经验，其m值取22 000 kN/m4。根据规范[3]中弹性长桩的相关规定，经计算1.8T=2.43 m，小于粘土厚度4 m，故取粘土的m值22 000 kN/m4作为桩基入土深度范围内土体的m值；而4T=5.4 m，小于各桩的入土深度，故均为弹性长桩；然后采用假想嵌固点法求得受弯嵌固点距泥面深度范围是2.43～2.97 m，桩顶无转动取较大值2.97 m。结构简化时不考虑桩帽的作用，假定桩与横梁固接在一起，水平荷载作用在靠船侧横梁端部，计算示意见图2。

图1 码头结构断面示意

图2 横向排架计算示意

2 建立有限元模型

通过 ANSYS 10.0建模[11]，横梁用 BEAM4弹性梁单元模拟，桩基用PIPE16弹性直管单元模拟。根据横梁和桩的几何参数及材料属性，设置BEAM4梁单元和PIPE16管单元的实常数；直桩和斜桩均划分为27个等长度单元，直桩每个单元长度为1 m，斜桩每个单元长度为1.054 m。求得两直桩的固结长度分别为14.03 m和15.03 m，嵌固点以下单元数分别为14个和15个。两斜桩的固结长度分别为17.06 m和18.11 m，嵌固点以下单元数分别为16个和17个，将桩从嵌固点往下施加固端约束。建立的有限元模型见图3。

图3 固端约束有限元模型

3 计算结果分析

在数值模拟阶段，将叉桩平面扭转角按照公差 1°的等差数列从 0°递增到 90°进行了全面的分析，限于篇幅，不能将每个角度所对应的内力值和变形值全部列出，本文根据各个角度对横向排架内力和变形变化趋势的影响规律，从91个角度中选择了14个具有代表性的角度进行计算分析。在每个等级的水平力作用下，分别计算叉桩取不同扭转角度时横向排架的内力和变形，由于不同荷载作用下横向排架的内力图和变形图的形状基本相同，只是内力值和变形值的大小存在差异，所以只给出了横向排架在水平力为80 kN，叉桩扭转角为30°时的内力和变形分布（图4）以供参考。

图4 横向排架的内力和变形

通过内力图和变形图可以看出，在三种不同的水平力作用下，横向排架的最大轴力在受压斜桩④桩身处产生，最大剪力和最大弯矩均在与受压斜桩④固接的横梁处产生。为了便于数据的比较和处理，将横向排架的相应计算结果列表统计（表1）。

表1 横向排架的最大内力值

不同等级水平荷载作用下横向排架的最大内力和最大变形随扭转角变化的趋势见图5、图6。

图5 横向排架的内力变化趋势

图6 横向排架的变形变化趋势

通过以上图中曲线变化的趋势以及实验数据分析如下：

1）最大轴力分析：通过轴力变化趋势图可以看出，横向排架的最大轴力随着扭转角的增大而减小；

2）最大剪力分析：横向排架的最大剪力在横梁处叉桩之间产生，在叉桩扭转角从0°变化到90°的过程中，横向排架的最大剪力呈先减小后增大的变化趋势，而且随着所承受水平力的增大，出现最小剪力时对应的叉桩扭转角逐渐增大。

3）最大弯矩分析：在水平力的作用下，随着叉桩扭转角的变化，在产生横向排架最小剪力对应的叉桩扭转角处，横向排架的最大弯矩的变化趋势发生变化，经过该点后，最大弯矩由趋于线性变化转变为沿着上凸型的曲线递增，增大幅度明显变大，即最大剪力变化曲线的最小值点就是最大弯矩变化曲线的拐点，这一点对于横梁的设计至关重要，因此必须要考虑改点所对应的叉桩扭转角。

4）横向变形分析：横向排架的最大横向变形值均随着叉桩扭转角的增大而增大，且扭转角为45°时最大横向变形和最大纵向变形基本相同；

5）纵向变形分析：通过观察数值模拟过程中横向排架的变形图可知，在水平力作用下，叉桩无扭转角时，高桩码头横向排架没有侧向变形，相当于一个平面结构。随着叉桩扭转角的变化，侧向变形先增大后减小，当扭转角变为90°时侧向变形趋于零。之所以产生这样的变化规律，是因为在随着叉桩扭转角的增大，直桩和叉桩所承受的轴力也在不断的变化，其中叉桩轴力对横向排架的侧向变形具有控制作用，通过轴力分布图可以看到，叉桩中横向排架后侧的那根斜桩一直承受较大的压力，而前侧的那根斜桩在扭转角很小时承受一定的拉力，随着扭转角的增大，其受力逐渐由拉力变为压力并不断增大，由于方向与后侧斜桩相反，从而两根斜桩对横向排架的侧向作用相互抵消，侧向合力逐渐减小，从而导致侧向变形随之减小。当扭转角变为90°时，两根斜桩的侧向作用基本相等，从而致使此时的侧向变形趋于零。但是，在工程实际中不可能出现叉桩扭转角变为90°的情况，所以在高桩码头设计时，应注意结构的对称性，从而使侧向变形在最大程度上相互抵消。

6）总体变形分析：横向排架的最大总体变形均随着扭转角的增大而先增大后减小。

4 结 语

在水平力作用下叉桩的扭转角对横向排架的内力和变形影响较大，在确定叉桩扭转角时，应该以最大剪力变化的最小值点或最大弯矩变化的拐点所对应的扭转角为参考，同时考虑最大剪力和最大弯矩对横梁设计的影响。

综上所述，在进行高桩码头横向排架设计时，应综合权衡轴力、剪力、弯矩对梁板及桩基的影响，选择对结构受力影响最小的叉桩扭转角度和布置位置，从而保证结构设计的可靠性和经济性。