中小型高桩梁板式码头结构优化研究

李 超，马 瑞，王丽芳

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

高桩梁板式码头结构作为一种环境友好型结构型式，其透空性不仅可以增加水体交换空间，同时还能减少波浪反射，有利于船舶作业，因此在地质条件适合的码头结构中应用较为广泛。然而传统的高桩梁板式结构，由于船舶靠泊安全需要，横向排架间距受限，桩基能力往往得不到充分发挥，造成材料浪费。基于此，依托某旅游休闲码头工程，本文提出了一种适用于中小型码头，既能满足靠泊需求又可以充分发挥桩基能力、降低工程投资的新型高桩梁板式结构，并结合该结构特点，对其适宜的计算方法和拟合方式进行了研究探索。

1 工程概况

某旅游休闲码头工程为依托已建的斜坡式护岸，通过工程建设将其改建为直立式码头。受用海政策、陆域作业空间、自然条件、施工条件、建设工期等多方面因素影响，经对比分析，高桩结构型式较重力式结构、板桩结构更为适宜。

通过进一步深入研究，经对高桩墩式、高桩梁板式、高桩无梁板式结构进行技术经济比较，可知高桩梁板式结构具有预制装配率高、施工速度快、投资更为节省等优点，因此推荐高桩梁板式结构方案为优选方案。

1.1 建设条件

1）设计船型

对拟靠泊实船船型尺度进行汇总分析，设计代表船型主尺度详见表1。

表1 设计船型主尺度表Tab.1 Design ship type main dimension table

2）设计波浪条件

码头前沿50 年一遇设计波浪要素详见表2。

表2 设计波浪要素Tab.2 Design Wave Element Table

1.2 高桩梁板式结构初步方案

该工程码头面顶高程3.5 m，前沿设计底高程-2.6 m，采用全直桩的高桩梁板式结构，由下部桩基础和上部梁板结构组成。下部桩基采用直径 1 000 mm 的混凝土灌注桩，横向排架间距6 m，其上为现浇桩帽和预制安装的钢筋混凝土梁板结构。护舷布置在悬臂式靠船构件上，为满足船舶靠泊需要，靠船构件底位于设计低水位以下。为减少温度应力和不均匀沉降带来的影响，结构分段长度 63 m，采用悬臂式结构缝。

图1 原码头结构断面图Fig.1 Cross section diagram of the original dock structure

2 结构优化设计

对于高桩梁板式码头结构的优化设计，孙文俊等[1]提出对码头结构的整体布局进行优化设计是一个合理且快捷的途径；邱喜等[2]以工程造价最优为目标，对桩基整体布置和上部构件进行优化，研究结果表明桩基布局优化对投资的影响最为显著，达95 %左右。结合上述研究成果，以节省工程投资，充分发挥桩基能力为目标，从桩基布置、结构分缝型式、靠船构件三个方面开展优化研究工作。

2.1 桩基布置优化调整

桩基作为高桩码头结构的基础及主要受力单元，其投资一般可占到结构总投资的1/2。以往对桩基布置的优化调整，通常以桩基和横梁组成的横向排架作为优化设计单元，通过调整排架间距，以“长桩大跨”的型式实现降低工程投资的目的。对于本工程，排架间距受限于小型游船的靠泊需求，间距不宜大于6 m，优化设计单元由横向排架调整为桩基基础。

对原设计方案进行分析，知结构中、后排桩受力及变形小于海侧前排桩。为兼顾考虑船舶靠泊、桩基能力发挥及上部梁系安装，海侧桩基间距维持6 m 不变，中、后排桩基间距取为海侧桩基间距的整数倍。因原高桩梁板式结构方案的桩基能力已发挥70 %左右，故从结构安全考虑，陆侧桩基间距取为海侧桩基间距2 倍，为12 m。

图2 优化调整后的桩基布置示意Fig.2 Schematic diagram of optimized and adjusted pile foundation layout

2.2 结构分缝型式优化

高桩码头结构缝的分缝型式可分为悬臂式、简支式及横梁分开式[3]。悬臂式结构缝的特点为受悬臂结构受力影响，悬臂式结构段长度一般为2.5～ 3.0 m，远小于一般跨长度；简支式结构缝的特点是可加大分缝段长度，但无法协调结构段之间的前后水平位移[4]；横梁分开式为将设置结构缝处的横梁分为两半，分缝段长度同一般跨，但需增设挡块等措施确保梁的稳定性。

为进一步减少桩基根数，发挥桩基能力，基于分缝段长度与一般跨跨度相同的原则，综合简支式和横梁分开式结构缝型式特点，提出一种新型简支式结构缝。该结构缝布置于桩基中心位置，对相邻结构段进行有效分隔。面板间、纵梁间设置凹凸榫，加强相邻构件的整体性和安全性。面板间、纵梁间、横纵梁之间均填充弹性支承材料，减小码头水平方向变形。

图3 位于桩中心的新型简支式结构缝示意Fig.3 Schematic diagram of a new type of simply supported structural joint located at the center of the pile

2.3 靠船构件优化调整

常见的高桩码头靠船构件一般采用悬臂板式、悬臂梁式结构，该结构型式会对海侧桩基产生附加桩顶弯矩。为进一步优化桩基受力，采用大刚度靠船块体取代传统的靠船构件，将桩帽结构与靠船结构统筹设计。同时在靠船块体之间增设挡浪边板，减少波浪上浮力及桩基上拔力。

图4 靠船块体及挡浪边板断面示意Fig.4 Schematic diagram of the section of the berthing block and the wave blocking edge plate

图5 靠船块体及挡浪边板立面示意Fig.5 Diagram of the facade of the berthing block and the wave blocking edge plate

2.4 优化后的结构方案

码头采用全直桩高桩梁板式结构。桩基采用直径1 200 mm 的混凝土灌注桩，沿码头长度方向第一排桩间距为6 m，第二、三排桩间距12 m；海侧桩上部现浇靠船块体，块体尺寸长×宽×高为2.2 m ×2.75 m×1.4 m，靠船块体间设置挡浪边板；上部结构为预制安装横梁、纵梁及面板结构，面板上设置排气孔，上部浇筑码头面层。沿码头长度方向设置结构缝，采用新型简支式结构缝，分缝段跨度同一般跨。

与原设计方案相比，桩基根数由传统结构的175 根降至147 根，桩基能力发挥程度由原来的 70 %提升至84 %左右，桩基费用由原来的2 692.76万元降至2 308.11 万元，工程总投资由原来的 15 505.71 万元降至14 882.55 万元，共降低工程投资623.16 万元。

3 计算方法研究

3.1 计算模型初选

由于优化后的结构方案空间特征显著，采用有限元方法按空间模型进行结构计算更为适宜。对于高桩梁板码头的计算方法，张兵等[5]提出采用空间模型计算时，面板对桩基内力影响较小，对纵横梁弯矩影响较大，建议在设计中合理考虑面板对纵横梁的约束影响；蔡建冬等[6]也针对面板对结构内力的影响进行了研究，面板可起到匀化水平荷载的作用，减少桩和梁的截面尺寸；关兴[7]对水平力作用下码头桩基采用m 法和嵌固点法进行了对比分析，提出对于全直桩码头结构计算，嵌固点法计算结果较为保守，建议在施工图阶段，采用m 法进行计算，保证结构内力和变形计算的准确性。结合上述研究成果及相关规范[8]要求，在进行空间模型计算时，可适当考虑面板的有利影响，采用m 法，利用ABAQUS 软件进行结构内力计算。

3.2 单元类型选择

根据各构件的受力情况进行分析，模拟采用的单元类型分述如下：

1）桩基础采用梁单元进行模拟；

2）桩帽、大刚度块体及挡浪边板采用实体元进行模拟；

3）由于桩基为空间布置，故上部横梁、纵梁在非均布或对称荷载作用下，会出现双向受弯及受扭，因此横梁及纵梁采用实体元进行模拟最为适宜。且根据以往研究成果，纵横梁中性轴位置若与工程实际不相符，会导致除桩力外的其他构件内力产生较大误差。故模型在建立时，需保证为按纵横梁实际高程进行数值计算[9]；

4）上方面板采用板单元进行拟合。

3.3 桩基与上部结构连接方式的拟合研究

在计算模型初步确定的基础上，笔者对桩基与上部结构的连接方式进行了拟合研究。根据工程特点，选择Tie（绑定）、Coupling（耦合）及Embedded region（嵌入）三类方式进行桩基与上部结构连接方式的拟合研究，并细分为8 种模拟方式分别对桩顶变位、桩轴力、桩弯矩、桩身剪力进行分析。

为便于分析计算结果，按照桩顶变位逐渐增大的趋势，对8 种计算模式进行编号：1）耦合-运动耦合；2）耦合-分布耦合；3）tie:桩+壳单元+桩帽实体单元（壳单元厚度0.8 m）；4）嵌入拟合（嵌入深度0.7 m）；5）tie:桩+壳单元；6）嵌入拟合（嵌入深度0.6 m）；7）嵌入拟合（嵌入深度0.1 m）；8）tie:桩+壳单元+桩帽实体单元（壳单元厚度0.2 m）。

图6 计算结果分析Fige.6 Analysis of calculation results

对上述计算结果进行研究分析可知：

1）桩顶变位呈递增趋势，可知上述8 种拟合方式的连接刚度逐渐减小；

2）除计算模式5 外，其余计算模式在轴力、弯矩和剪力的拟合结果均成渐变状态；

3）连接方式的变化对桩基轴力和剪力影响不大，对桩基弯矩影响较为显著，其中拟合方式1，即运动耦合方式计算所得弯矩较大。

因此，建议在进行桩基与上部结构连接方式拟合时，采用运动耦合方式进行模拟计算，计算所得结果更为安全。

4 结语

1）本文针对中小型高桩梁板式结构，其排架间距受限，桩基能力无法充分发挥的问题，通过优化桩基布置、优化结构分缝型式及靠船构件设置，提出一种新型高桩梁板式结构，实现了结构优化和投资节约；

2）文中提出的新型简支式结构缝，集合了传统简支式结构缝和横梁分开式结构缝的优点，不仅加大了分缝段跨度，还可协调各结构段变位，经进一步实践检验后，可加以推广应用；

3）大刚度靠船块体与挡浪边板组合形成的靠泊体系，不仅适用于中小型码头，在潮差较大的工程中，也可加以应用；

4）在进行有限元模拟计算时，采用m 法，在合理选用各构件模拟单元类型基础上，桩基与上部结构的连接推荐采用运动耦合的方式加以模拟，计算结果偏于安全。