新型带有水平撑的全直桩码头结构的应用

杨 武，姚祎雯，赵 凯

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州510230)

目前，国内外常用的高桩码头形式包括全直桩和带有叉桩的码头结构。带有叉桩的高桩码头结构可以抵抗码头水平力，减少结构使用期间的水平位移，结构受力合理，但是叉桩施工困难，尤其是在外海风浪条件恶劣环境下，施工周期长、风险大、造价高[1]。全直桩码头具有抗震能力强、施工简单、结构造价低的优点，但是码头水平承载能力弱，使用期间的水平位移大，因此严重制约了全直桩码头的使用。近年来，随着码头走向深海，外海开敞式高桩码头的规模也在增加，如何缩短高桩码头施工期，降低施工难度，减少工程造价就显得尤为重要。葛晓丹对比研究了一种加斜撑的全直桩码头，结果表明适当增加斜向支撑对结构的整体刚度具有显著影响[2]。

本文以某工程为例，提出一种水平撑与全直桩相结合的结构形式，并通过不同方案对比研究水平撑的层数以及斜撑的布设情况对整体结构受力特性的影响，以探讨该种结构在外海中的适用性。

1 工程概况

某工程工作平台尺寸为23.7 m×31.4 m。每个工作平台由16根直桩、4组水平撑组成。平台上设置2个SCN2500 F1.5橡胶护舷以及2个快速脱缆钩，对称布置，双侧靠泊，平台断面见图1。该工程所处地质表层存在交替出现的厚度不等的黏土和砂，下方为中等风化的胶结黏土或砂，底层为泥岩和页岩。本文对通过5种情况进行对比分析以探讨该种全直桩码头结构的适用性。1)工况1：单纯全直桩结构；2)工况2：全直桩加1层水平撑结构；3)工况3：全直桩加2层水平撑结构；4)工况 4：全直桩加2层水平撑以及斜撑结构(图1)；5)工况5：在工况4的基础上2号和3号桩基也通过横撑和斜撑相连，形成整体相连结构。

图1 工况4工作平台断面

2 计算模型

2.1 模型的建立

采用有限元软件建立三维模型进行分析，模型中梁桩等采用梁单元模拟，面板采用壳单元模拟，土体用土弹簧模拟，其弹簧刚度采用P-Y曲线法进行计算，泥面以下的基桩上设置多个节点，每个节点处设置2个垂直于桩身的弹簧，用以模拟水平荷载作用下的桩土相互作用，桩端固接。

2.2 荷载的施加

该码头设计船型为12万DWT的集装箱船，计算船舶撞击力(组合编号BL)为5 653 kN，船舶系缆力(组合编号ML)为1 500 kN。分别对比分析不同荷载作用下结构所发生的最大位移和桩基最大内力情况[3-4]。

3 水平力作用下不同结构形式的对比分析

3.1 对平台水平位移的影响

分别比较系缆力和撞击力作用下5种方案中工作平台的水平位移值，结果见表1和图2。

表1 水平位移值对比

图2 BL和ML作用下不同工况位移对比

从表1和图2可以看出：1)全直桩加单层水平撑工况(工况2)与全直桩工况(工况1)相比，位移减少了43%；2)全直桩加双层水平撑工况(工况3)与全直桩工况(工况1)相比，位移减少了56%；3)全直桩加水平撑以及斜撑工况(工况4)与全直桩工况(工况1)相比，相同荷载作用下结构位移减少了80%；4)所有桩基都通过横撑和斜撑相连(工况5)与工况4相比，位移基本无变化。

综上所述，该种带有水平撑的全直桩码头结构对抵抗水平力作用具有显著效果，采用水平撑的层数以及层间是否采用斜杆连接对结构位移有显著影响，2、3号桩之间加设水平撑和斜撑对结构位移基本无影响。

3.2 对桩基最大内力的影响

为了对比不同方案的受力情况，统计在ML和BL作用下，不同方案的最大弯矩和最大轴力，结果见表2和图3。

表2 桩基内力对比

图3 BL作用下不同工况主桩内力对比

从表2和图3可以看出：1)工况2与工况1相比，弯矩减小了34%，轴力增加了24%；2)工况3与工况1相比，弯矩减少了46%，轴力增加50%；3)工况4与工况1相比，弯矩减少了48%，轴力增加了60%；4)工况5与工况4相比，内力基本无变化。可见，2、3号桩之间的撑对内力优化并未起到多大作用。

综上所述，该种带有水平撑的全直桩结构对提高平台整体刚度具有显著的效果。双层水平撑平台(加斜撑)能减少55%的弯矩，这对工程方案选择具有很大的指导意义。同时，斜撑对整体结构受力也有很大影响，并且根据工况5可知，所有桩基均用横撑和斜撑相连并不可取，对内力优化并无显著影响。

3.3 对结构整体内力分布的影响

以撞击力作用为例，不同工况下工作平台单排4根桩的最大弯矩值用以研究该新型结构的内力分布。图4给为BL作用下不同工况的桩基内力分布对比。

图4 BL作用下不同工况的桩基内力分布对比

(1)

式中：γ为撞击力作用下工作平台桩基内力的比值；M1代表1号桩的弯矩，M代表实际桩号的弯矩。

从图4可以看出，全直桩情况下，弯矩分布比较均匀，整体一起受力，所有桩基内力均较大。安装有水平撑后，弯矩均显得比较均匀，带有单层水平撑和双层水平撑(无斜撑)主桩弯矩之间相差15%左右；工况4情况下，最大桩力出现在1号桩和3号桩上，对于每组水平撑内侧的桩，即2号和4号，最大弯矩约减小了20%，此部分桩基在实际工程应用中可以考虑一定的优化空间，工况5与工况4情况相比基本无变化，可见2号桩和3号桩之间用横撑和斜撑相连对内力优化并无效果。

4 结论

1)该新型带有水平撑的全直桩结构对于增加结构水平刚度具有很好的效果，单层水平撑、双层水平撑、斜撑对位移限制均有较好的效果。

2)该结构可有效减少桩基最大内力，在一些斜桩沉桩困难以及沉桩风险较大时，可考虑采用该新型结构替代传统的结构形式。

3)带有双层水平撑的全直桩码头结构有无斜撑对内力影响并不显著，主要起限制变形的作用，在一些位移限制要求不高的工程项目中，可以考虑取消斜撑以节省工程造价。

4)带有双层水平撑的全直桩码头结构(加斜撑)的内部桩受力较小，在实际工程应用中可以进一步研究以节约工程造价。

5)所有桩基都用横撑和斜撑相连并无必要，2、3号桩之间相连对位移和内力结果并无影响。