高桩框架码头撞击力计算方法分析

邓远经 广东省航运规划设计院有限公司

高桩框架码头是一种适用于大水位差的码头结构形式，其主体结构由基桩和空间框架构成，空间框架包括立柱、横撑、纵撑、靠船立柱、系靠船梁、横梁、纵梁和面板等。

对于高桩框架码头的结构内力计算可采用平面排架计算或空间结构计算。平面排架计算模式即将码头结构简化为纵向和横向两个平面进行分析，该模式下船舶系缆力、撞击力等水平集中力根据结构段排架数量及作用位置，选取不同的分配系数。空间结构计算通常按结构段建立模型，将水平力直接添加到作用位置。高桩框架码头结构受力具有空间特性，不同计算方法导致的结构内力的差异进而也影响到构件的断面设计和结构配筋。

本文以佛山港某高桩框架码头为例，分析码头受撞击力作用时，通过不同的计算方法带来的结构内力计算结果差异。为类似工程在结构设计中提供参考。

1.工程概况

1.1 结构型式

佛山港某多用途码头工程，建设规模为4个3000吨级泊位（结构预留5000吨级），码头总长为438m，宽35m，码头顶面高程7.8m，码头前沿底高程-7.2m，码头沿长度方向分为7个结构段，标准结构段共9个排架，排架间距7m。每个排架7根灌注桩，轨道梁下方为Φ1200mm灌注桩，其余均为Φ1000mm灌注桩。码头上部结构由桩帽、靠船构件、横撑、纵撑、立柱、靠船立柱、横梁、轨道梁、纵梁及面板组成。码头前沿13m范围内上部结构采用框架式结构，框架共2层，净高度为3m。码头结构断面图见图1。

图1 码头结构断面图

1.2 水文地质条件

工程所处河道，设计高低水位分别为6.19m及-0.48m（珠江基准面起算），水位差约6.5m。工程地质自上而下主要由淤泥质粉质粘土、粉砂、细砂、粉质粘土、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩等岩土层构成，岩面埋深约17m，基础适合采用灌注桩。

1.3 设计荷载

码头主要荷载包括堆货荷载、门机荷载、汽车荷载、水流力及船舶荷载等。本文主要为分析船舶撞击力对结构内力的影响，为避免其他荷载对分析结果的干扰，对码头荷载进行简化，仅考虑结构自重以及船舶撞击力的作用。船舶撞击力按5000吨级船型计算，撞击能量为180kJ，橡胶护舷反力为858kN。

2.结构内力计算

利用结构计算软件分别采用平面排架与空间结构两种计算模式。平面排架模式选择采用上海易工软件有限公司开发的《高桩框架式码头CAD》以及使用Midas Civil建立平面排架模型，空间结构采用Midas Civil结构计算软件建立空间模型。为减少桩基对结构内力计算结果的影响，桩地基模型均采用假想嵌固点法，嵌固点深度按8倍桩径计算。考虑船舶撞击力作用于结构段的中部，即第五排架。分析的构件为排架横向构件，包括桩基、靠船立柱、横撑及横梁。

船舶撞击力取三个不同的撞击位置，分别作用于靠船立柱顶部、中部和底部，输入高程分别为6.19m、4.49 m 及2.79 m，撞击力大小为858kN。结构自重及船舶撞击力在承载能力极限状态下的荷载分项系数分别为1.2、1.5。

2.1 平面排架计算方法

2.1.1 易工软件模型

①计算模型。使用易工软件建立码头排架计算模型，船舶撞击力直接输入未乘分配系数前的值，系统自动计算和乘以分配系数。其在结构上的添加模式为未乘分配系数的船舶撞击力直接添加在作用高程位置，并在码头横梁端部添加一个反方向的附加作用力，反向作用力的大小等于未乘分配系数的撞击力与已乘分配系数的撞击力之差[1]。模型和荷载添加图如图2所示。

图2 易工软件计算模型

②计算结果。排架计算结果统计见表1。

表1 易工软件结构内力计算结果

2.1.2 Midas Civil平面模型

①计算模型。使用Midas Civil结构软件建立单个排架的平面模型，将排架间纵梁面板等结构自重通过节点荷载的形式添加到结构上，排架自重通过软件自动添加，船舶撞击力乘以规范中水平集中力横向分力在排架中的分配系数后直接添加到荷载作用位置。本工程结构段为8跨，作用在第五排架，各排架分配系数均为0.111[2]，添加的荷载大小为95.2kN，见图3。

图3 迈达斯1#平面模型

②计算结果。迈达斯平面模型计算结果统计见表2。

表2 迈达斯1#平面模型结构内力计算结果

2.2 空间结构计算方法

1）计算模型。使用Midas Civil结构软件建立整个结构段的空间模型[3]，结构段共9个排架，排架间距为7m。结构自重通过软件自动添加，船舶撞击力直接添加到作用位置，计算模型见图4。

图4 迈达斯空间模型

2）计算结果。迈达斯空间模型计算结果统计见表3。

表3 迈达斯空间模型结构内力计算结果

3.结构内力对比分析

3.1 桩基内力对比

桩基内力对比见图5。根据对比可见，直接使用乘以分配系数的船舶撞击力添加在排架上，计算的桩基压力和桩身弯矩相较于其他模型均较小，易工模型计算的桩身弯矩较空间结构模型大。

图5 桩基压力和桩身弯矩计算结果对比

3.2 靠船立柱内力对比

靠船立柱内力对比见图6。根据对比可见，直接使用乘以分配系数的船舶撞击力添加在排架上，计算的靠船立柱正负弯矩相较于其他模型均较小，易工模型计算的靠船立柱负弯矩（外侧弯矩）与空间模型结构较为接近，正弯矩（内侧弯矩）较空间模型小。

图6 靠船立柱弯矩计算结果对比

3.3 横撑内力对比

横撑内力对比见图7。根据对比可见，直接使用乘以分配系数的船舶撞击力添加在排架上，计算的横撑弯矩相较于其他模型均较小，易工模型计算的横撑正负弯矩与空间模型结果较为接近，略小于空间模型计算结果。

图7 横撑弯矩计算结果对比

3.4 横梁内力对比

横梁内力对比见图8。根据对比可见，直接使用乘以分配系数的船舶撞击力添加在排架上，计算的横梁弯矩相较于其他模型均较小，易工模型计算的横梁正弯矩（底部弯矩）与空间模型结果较为接近，负弯矩（顶面弯矩）较空间模型大。

图8 横梁弯矩计算结果对比

4.结论

本文结合具体工程实例，分别利用平面排架模型及空间结构模型对高桩框架码头结构受撞击力的情况进行结构内力分析。通过对比分析得出以下结论：

（1）当采用平面模型时，如直接将乘以分配系数后的撞击力添加到作用位置，其计算的桩基、靠船立柱、横撑、横梁等构件的结构内力均小于另一种平面模型及空间模型的计算结果，该计算方法可以认为是不够准确的。

（2）当采用在结构上直接添加未乘以分配系数撞击力的平面模型时，该模型计算的桩身弯矩及横梁弯矩要显著大于空间模型的计算结果，分析原因是结构段提供的抗力应是分散的，而非集中的，而此模式是将附加作用力集中添加在横梁上。故此模型对于桩力和横梁的结构内力计算是偏大的。

（3）当采用在结构上直接添加未乘以分配系数撞击力的平面模型时，该模型计算的横撑内力略小于空间模型的计算结果。靠船立柱的部分弯矩要小于空间模型的计算结果。故此模型对于横撑和靠船立柱的结构内力计算是偏不足的。

（4）由此可见，高桩框架码头平面模型计算结果与空间模型计算结果确实存在差异，当集中水平力较大，结构内力宜通过空间模型计算确定。当采用平面模型时，不宜将乘以分配系数的水平力直接添加在结构上。将水平力直接添加在作用位置，并在与相邻排架连接的各节点（非单一节点）添加反方向的附加作用力的处理方式认为是更合适的。