长江中上游大水位差码头钢管混凝土桩基础设计

李春平，王 彪

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

引言

桩基部分占码头造价一半以上，同时桩基直接决定了码头结构是否安全稳定,因此桩基设计对于码头结构设计而言非常关键。目前，河港普遍采用高桩梁板结构型式，常用的桩基结构型式有PHC管桩、钢管桩、灌注桩、嵌岩桩等。长江中上游地区由于其水流力大、水位差大的特点，同时具备中风化岩等良好桩基持力层，常见的桩基型式为全直灌注型嵌岩桩并采用钢护筒护壁。对于此类码头，由于持力层可达到较高的饱和单轴抗压强度，竖向承载力均可满足要求。岩体之上又有较厚覆盖层，在水平荷载作用时，其上覆土层即满足水平承载力要求，大多数情况下起控制的因素为码头结构位移。在码头结构设计中，设计人员基于保守考虑，通常做法是将钢管强度作为富裕储备，仅考虑砼芯柱的作用，实际受力机理应是钢管和混凝土共同受力。在建筑和桥梁工程中，对钢管混凝土桩基础有一定的研究，如万城勇等[1]通过试验研究了配筋率、纵向受力钢筋屈服强度等对钢管混凝土受力性状影响的变化规律。查晓雄等[2]利用叠加原理，提出了配筋钢管混凝土构件的轴压和抗弯承载力计算公式。千岛湖大桥是国内首次对钢管混凝土桩大规模应用的桩基。但在水运工程尤其是码头工程中，鲜见对钢管混凝土桩基的研究应用。

本文以宜昌港宜都港区枝城作业区铁水联运码头一期工程为依托，利用易工有限元软件进行有限元建模分析，探讨钢管混凝土桩基中桩径、钢管壁厚、砼强度等级、排架桩数、排架横撑对码头结构位移的影响，为基于钢管混凝土桩基码头设计提供参考。

图1 码头结构断面示意图

1 宜昌某码头实例

1.1 自然条件

1）风速采用9 级风，V=22 m/s。

2）设计高水位：47.20 m（三峡成库后，控制枝城站流量56 700 m3/s 所对应的拟建港区水位）；

设计低水位：35.27 m（保证率98 %）；设计河底高程：30.77 m。

3）码头前沿最大流速为2.0 m/s。

4）桩基持力层：灰岩，饱和单轴抗压强度23.1 MPa。

1.2 码头结构

平台总长265 m，宽30 m。排架间距为8.8 m，共32 榀排架。排架基础采用钢管混凝土桩基础，前排桩纵向设置钢纵撑，为增加码头平台的横向刚度，横向桩与桩之间设钢横撑。平台上部结构由横梁、前边梁、后边梁、轨道梁、纵梁、迭合面板、系缆平台和钢靠船构件等组成。

钢管混凝土桩径：选用6 种桩径来分析，分别为0.9 m、1.0 m、1.1 m、1.2 m、1.3 m、1.4 m。

钢管壁厚：分别选用δ=10 mm、12 mm、14 mm、16 mm 四种进行分析。

排架桩基数量：排架桩数分别选用n=4、5、6根进行分析。

砼强度等级：分别选用C30、C35、C40、C45进行分析。

1.3 荷载条件

码头面堆货荷载标准值：按30 kN/m2考虑，轨道两侧各1.5m 范围不考虑堆货荷载。

起重机械荷载：41 t-22 m 集装箱岸桥、45 t-30 m 多用途门机、25 t-30 m 门机。

流动机械荷载：40 英尺集装箱拖挂车荷载、QC45 牵引车荷载、40 t 平板车荷载。

1.4 荷载组合

1）持久状况承载能力极限状态持久组合

永久作用(结构自重)+主导可变作用(装卸机械荷载)+非主导可变作用(船舶荷载、码头面均布荷载、流动机械荷载)；

永久作用(结构自重)+主导可变作用(船舶撞击力)+非主导可变作用(码头面均布荷载、装卸机械荷载、流动机械荷载)；

永久作用(结构自重)+主导可变作用(船舶系缆力)+非主导可变作用(码头面均布荷载、装卸机械荷载、流动机械荷载)；

永久作用(结构自重)+主导可变作用(码头面均布荷载)+非主导可变作用(船舶荷载、装卸机械荷载、流动机械荷载)。

2）持久状况正常使用极限状态准永久组合

永久作用(结构自重)+可变作用(装卸机械荷载、码头面均布荷载、船舶荷载、流动机械荷载)。

2 有限元模型计算分析

采用易工有限元计算软件，建立码头有限元模型，其中钢管混凝土桩基简化为下端嵌固在岩层中的弹性长桩，嵌固点深度采用m 法计算。桩和横梁为刚性连接，梁板均为连续结构。

图2 码头结构有限元模型

2.1 桩径、壁厚改变对码头位移的影响

采用易工有限元软件对码头结构进行建模计算，如图所示。选用了6 种桩径，4 种钢管壁厚。下图为码头结构位移随桩基、钢管壁厚的变化关系。

由图3 可知：

图3 码头位移随桩径、钢管壁厚的变化规律

1）在钢管壁厚δ=10 mm 下，桩径由0.9 m 到1.0 m，位移减小8.2%；桩径由1.0 到1.1，位移减小6.7%；桩径由1.1 m 到1.2 m，位移减小5.7 %；桩径由1.2 m 到1.3 m，位移减小4.9 %；桩径由1.3 m 到1.4 m，位移减小4.1 %；

2）在钢管壁厚δ=16 mm 下，桩径由0.9 m 到1.0 m，位移减小7.1 %；桩径由1.0 到1.1，位移减小5.8 %；桩径由1.1 m 到1.2 m，位移减小4.9 %；桩径由1.2 m 到1.3 m，位移减小4.4 %；桩径由1.3 m 到1.4 m，位移减小3.7 %；

3）桩径为0.9 m 时，钢管厚度有δ=10 提高到δ=12，位移减小3.6 %；钢管厚度有δ=12 提高到δ=14，位移减小3.3 %；钢管厚度由δ=14 提高到δ=16，位移减小3.1 %；

4）桩径为1.4 m 时，钢管厚度有δ=10 提高到δ=12，位移减小2.1 %；钢管厚度有δ=12 提高到δ=14，位移减小2.1 %；钢管厚度有δ=14 提高到δ=16，位移减小1.9 %。

分析可知：提高桩基直径和增加钢管壁厚，对提高钢管混凝土桩基刚度效果明显，可显著减小码头整体位移；在钢管壁厚一定下，随着桩径的增加，对于提高刚度的影响越来越弱，不可一味的增加桩径来减小码头位移。小桩径时，增加钢管壁厚对于提高码头刚度更为明显，随着桩径的增加，通过增加壁厚提高刚度的影响越来越小。当桩径较大时，增加钢管壁厚对码头位移的影响不如小直径桩。

2.2 桩径、桩数对码头位移的影响

选用了6 种桩径、3 种排架桩数选用三种桩数，分别建立有限元模型，研究桩径和桩数对码头位移的影响规律。

由图4 可知：

图4 码头位移随桩径、桩数的变化规律

1）横向排架设置4 根桩时，桩基直径由0.9 m提高到1.0 m，位移减小7.1 %；桩基直径由1.0 m提高到1.1 m，位移减小5.3 %；桩基直径由1.1 m提高到1.2 m，位移减小4.5 %；桩基直径由1.2 m提高到1.3 m，位移减小3.9 %；桩基直径由1.3 m提高到1.4 m，位移减小3.1 %；

2）横向排架设置6 根桩时，桩基直径由0.9 m提高到1.0 m，位移减小8.5 %；桩基直径由1.0 m提高到1.1 m，位移减小6.6 %；桩基直径由1.1 m提高到1.2 m，位移减小5.8 %；桩基直径由1.2 m提高到1.3 m，位移减小4.9 %；桩基直径由1.3 m提高到1.4 m，位移减小4.4 %；

3）当桩基采用小直径时（0.9 m），排架桩基根数由4 根提高到5 根，位移减小14.8 %；排架桩基根数由5 根提高到6 根，位移减小13.2 %；当桩基采用大直径时（1.4 m），排架桩基根数由4 根提高到5 根，位移减小17.9 %，排架桩基根数由5 根提高到6 根，位移减小15.9 %。

分析可知：排架设置较多桩数，更有利于增强排架刚度，减小位移；在一定的桩数下，随着桩径的增加，刚度提升作用减弱。当采用大直径桩时，通过提高排架桩数相对于小直径桩基对于减少码头位移更为有利。

实际码头设计过程中，不可一味的通过增加码头桩基直径和排架桩数来提升码头刚度，应多方面进行技术经济比选。

2.3 桩径、砼强度等级对码头位移的影响

选用了6 种桩径、4 种砼强度等级分别建立有限元模型，研究桩径和桩基砼强度等级对码头位移的影响规律。

由图5 可知：

图5 码头位移随桩径、砼强度等级的变化规律

1）桩径为0.9 m 时，砼强度由C30 提高到C35，位移减小1.8 %；砼强度由C35 提高到C40，位移减小1.2 %；砼强度由C40 提高到C45，位移减小0.9 %；

2）桩径为1.4 m 时，砼强度由C30 提高到C35，位移减小1.5 %；砼强度由C35 提高到C40，位移减小1.0 %；砼强度由C40 提高到C45，位移减小0.9 %；

分析可知：提高混凝土强度对于码头刚度的影响并不十分明显；

随着桩基直径的增加，这种影响越来越弱，因此不建议采取提高混凝土强度的方式减小码头位移，河港设计中，砼强度等级选用C30 即可。

2.4 排架横撑设置对码头位移的影响

考虑不设置横撑情况下，建立有限元模型，分别研究桩径、钢管壁厚以及桩径、砼强度等级对码头结构位移的影响，并将结果和有横撑的结果进行对比分析。

由图6、图7 可知：

图6 桩径、壁厚对位移的影响（无横撑）

图7 桩径、砼强度等级对位移的影响（无横撑）

1）无横撑条件下，通过增加直径和钢管壁厚提高刚度的趋势和有横撑的情况相同；（2）当直径为0.9 m 时，增加横撑时，位移相较于没有横撑的情况，位移大幅减小，约为43.46 %；当直径为1.4 m 时，增加横撑时，位移相较于没有横撑的情况，位移大幅减小，约为42.06 %；

2）无横撑条件下，通过提高砼强度等级的趋势和有横撑的情况大致相同。

因此，增加横撑可显著增加码头刚度，减小位移。对于大水位差框架码头，应优先采取增加横撑措施。

3 结语

1）增加桩径、提高钢管壁厚、增加桩数均能提高码头刚度，减小结构位移，但影响程度不同，实际工程设计中，应综合各方因素进行桩基选型和结构设计；

2）提高砼强度等级对减小码头结构位移不明显，因此河港码头设计混凝土强度选用C30 即可；

3）增加横撑可显著增加码头刚度，减小位移。对于河港大水位差框架码头，应优先采取增加横撑等提高刚度措施。