叉桩和平联撑在高桩码头中抵抗水平力作用分析

叉桩和平联撑在高桩码头中抵抗水平力作用分析
余全华;孙世伟;周远方
【摘要】当高桩码头承受较大水平力荷载作用时,码头因位移大而存在安全隐患.为此,研究叉桩和平联撑在高桩码头中抵抗水平力作用大小.运用易工水运工程结构CAD集成软件建立高桩排架空间结构模型,计算分析叉桩排架结构在水平力作用下,码头横梁、桩基的内力和位移大小随叉桩的斜度和转角改变的规律,同时对比叉桩和平联撑在高桩码头中抵抗水平力大小.结果表明:叉桩排架结构抵抗水平力产生的位移作用远大于设置平联撑的排架结构.%The high-piled wharf faces potential safety hazard due to large displacement while subjected to large horizontal force.So,this paper carries out the research on the magnitude of resistance to horizontal force of batter-piles and horizontal braces in high-piled wharf.The influence of the inclination and rotation angle of the batter-piles on the internal force and displacement of the fascia beams and piles is discussed in this paper,basing on the high-pile bent frame structure model established by CAD integrated software for transport engineering structures. Meanwhile,the comparison about magnitude of resistance to horizontal force between batter-piles and horizontal braces is conducted.The result shows that the effect of reducing the displacement of the bent structure with batter-piles is much better than the structure with horizontal braces while subjected to horizontal force.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2018(000)003
【总页数】6页(P63-68)
【关键词】高桩码头;水平力;叉桩;斜度;转角;平联撑;位移
【作者】余全华;孙世伟;周远方
【作者单位】中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,海工结构新材料及维护加固
技术湖北省重点实验室,湖北武汉430040;中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室,湖北武汉430040;中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室,湖
北武汉430040
【正文语种】中文
【中图分类】U656.1
近年来，随着船舶大型化的发展，码头规模和等级随之提高，码头上使用的门机、装卸桥等工艺荷载也越来越大。

根据以往码头设计中的经验，门机水平力荷载对桩基及横梁结构计算起控制作用。

当码头承受较大水平力时，沿受力方向一般采用布置叉桩、斜桩或者平联撑等措施。

桩基角度和斜度不同，对于码头整体结构受力状态会产生不同的作用效果。

本文以某高桩码头工程为例，分析不同桩型斜度和转角以及设置平联撑等措施对码头抵抗水平力作用的大小。

1 结构模型受力计算前提
1)码头堆载、门座式起重机荷载、汽车流动荷载、船舶荷载在结构模型计算中保持不变。

2)当吊臂指向江边时，垂直于轨道方向的水平力方向为正(与吊臂指向相反)；反之，当吊臂指向岸侧时，垂直于轨道方向的水平力方向为负[1]。

本次选取水平力正、
负两个方向进行分析。

2 叉桩高桩码头
2.1 排架计算模型
1)设计水位和设计高程(56黄海高程)。

设计高水位为44.7 m(20 a一遇洪水位)；设计低水位为31.42 m(保证率98%)；
设计河底高程为27.22 m；码头面高程为46.0 m。

2)高桩排架计算模型。

码头共布置了4个散货泊位(水工结构满足靠泊5 000吨级船舶)，本次选取9榀排架为计算结构段，排架间距7.8 m，横梁断面为⊥型[2]。

基桩方案1：采用6根
φ1 000 mm×16 mm的钢管桩，设置1对叉桩;基桩方案2：采用2根φ1 000 mm×16 mm的钢管桩和4根φ1 000 mm×16 mm的PHC桩，设置1对叉桩。

结构模型结构如图1所示。

图1 排架结构断面(高程：m；尺寸：mm)
采用易工水运工程结构软件，以上述叉桩高桩码头为工程实例，分析在叉桩斜度和转角改变的情况下，码头横梁和桩基内力及位移的变化，从而得出对横梁、桩基的内力和位移影响程度最小的组合。

将排架结构简化为下端嵌固在地基中的弹性长桩，嵌固点深度采用m法计算[3]。

钢管桩与水平撑、钢管桩与横梁均为刚性连接。

选用7种斜度(3.0、3.5、4.0、
4.5、
5.0、5.5、
6.0)，4种转角(18°、20°、25°、30°)。

2.2 叉桩(钢管桩)斜度、转角改变对横梁和桩基内力及位移的影响
图2、3分别为横梁正、负弯矩、最大桩应力和桩位移在门机水平力为正、负两个方向时随桩斜度和角度改变而呈现的变化关系。

由图2a)可以看出：对同一桩角度的横梁正弯矩，随着桩斜度增大，正弯矩M+逐渐减小；对同一桩斜度，随着桩角度增大，正弯矩M+逐渐减小，且变化幅度随桩
斜度增大而减小。

桩斜度n∈(3，6)，横梁正弯矩M+与n的关系曲线呈抛物线形式。

图2b) 横梁负弯矩与2a)变化趋势具有一致性。

图2 水平力方向为正时，不同角度下钢管桩斜度与内力、位移关系曲线
由图2c)可以看出：对同一桩角度的桩应力[4]，随着桩斜度增大，应力σ逐渐增大；对同一桩斜度，随着桩角度增大，应力σ逐渐增大，且变化幅度随桩斜度增
大而增大。

桩应力σ与n的关系曲线呈线性趋势。

图2d)桩的位移S与2c)具有一致性。

由图3可以看出，图3a)， 3c)，3d)与图2a)，2c)， 2d) 变化规律相似。

图3 水平力方向间为负时，不同角度下钢管桩斜度与内力、位移关系曲线
由图3b)可以看出，对同一桩角度的横梁负弯矩，随着桩斜度增大，负弯矩M-逐
渐增大；对同一桩斜度，随着桩角度增大，负弯矩M-逐渐增大，且变化幅度随桩斜度增大而增大。

桩斜度n∈(3，6)，横梁负弯矩M-与n的关系曲线呈线性趋势。

2.3 叉桩(PHC桩)斜度、转角改变对横梁和桩基内力和位移的影响
图4、5中分别与图2、3中横梁正、负弯矩、最大桩应力和桩位移在门机水平力
为正、负2个方向时随桩斜度和角度改变而呈现的变化规律一致。

由于钢管桩相
对于PHC桩的刚度小，当码头桩基全为钢管桩时，排架结构中横梁正弯矩值比设置PHC桩时约大10%，横梁负弯矩、最大桩应力、桩位移值比设置PHC桩时约
大8.5%。

图4 水平力方向为正时，不同角度下PHC桩斜度与内力、位移关系曲线
图5 水平力方向为负时，不同角度下PHC桩斜度与内力、位移关系曲线
从以上分析可知：
1)改变门机水平力方向，横梁所受正负弯矩和桩的位移都有所影响。

最大横梁负弯矩的位置在第2根桩处，最大横梁正弯矩的位置在第4根桩和5根桩之间。

当水
平力为正时，第4根桩承受最大桩力；当水平力为负时，第3根桩承受最大桩力，同时横梁所受正负弯矩、桩的应力和位移都比当水平力为正时大。

然而，也有些工程当水平力为正时，横梁所受正弯矩最大；当水平力为负时，横梁所受负弯矩最大。

因此，横梁所受正、负弯矩最大值应分别取自水平力为正和水平力为负时的最大值，确保计算结果的准确性与安全性。

2)由于水平力主要由叉桩承受，因此主要分析3#、4#叉桩受力。

当门机水平力为正时，随着桩斜度和角度增大，横梁所受正负弯矩减小，桩应力和位移增大；当门机水平力为负时，随着桩斜度和角度增大，横梁所受正弯矩减小，负弯矩增大，桩应力和位移增大。

排架结构设计时，桩斜度和角度不宜过大也不宜过小。

桩斜度过小，则抵抗水平力的作用小，导致位移大。

桩基空间交叉布置时，桩的斜度和转角的选取应在保证桩间留有适当净距的前提下[5]。

桩斜度过大，则容易产生排架间桩的净距不够，导
致碰桩。

从图2～5可以看出，桩斜度n∈(4，5)和桩角度20°时，横梁弯矩、钢
管桩应力和位移都处于中间最优值。

3 平联撑高桩码头
3.1 排架计算模型
采用易工水运工程结构软件，通过改变排架结构断面图1中桩基的布置和设置钢
平联撑结构，对比分析平联撑排架结构与叉桩排架结构抵抗水平力大小，从而得出最合理和安全的排架结构模型。

①～④根桩之间3层钢平联撑结构模型结构如图6所示。

图6 排架结构断面(高程： m；尺寸：mm)
3.2 平联撑对横梁和桩基内力和位移的影响
码头平台的位移与桩基的刚度系数有关[6]：桩基的刚性系数越大，码头平台位移
越小；平联撑增大桩顶法向位移和转角位移刚性系数，增加桩基的整体刚度。

因工程地质限制选择设置叉桩时，可采用增设平联撑的措施提高码头结构抗水平力的能力，增强结构的整体性。

钢桩相对于混凝土桩的刚度小，在直桩条件下不利于控制变位。

由于本文以某高桩码头工程为实例，工程工期要求短，故选取全直钢管桩加钢平联撑与叉桩方案对比。

大直径混凝土直桩加现浇平联撑在工程工期允许的条件下，也可以在后期研究中与叉桩方案作进一步对比。

本次根据工程计算实际情况，将桩最大位移控制在30 mm内。

选取桩斜度n=6
和桩角度为30°的叉桩(钢管桩和PHC桩)排架结构与在①～④根桩之间设置3层
钢平联撑、①～⑤根桩之间2层钢平联撑、①～⑤根桩之间3层钢平联撑、①～
⑥根桩之间2层钢平联撑的4种排架结构进行内力对比，结果见表1。

表1 叉桩与平联撑对横梁和桩基内力和位移对比水平力方向桩斜度桩转角∕(°)横梁
桩最大弯矩∕(kN·m)最小弯矩∕(kN·m)最大应力∕MPa最大位移∕mm备注正负63000630005040-5690169.911.0钢管桩4591-5746168.810.0PHC桩6439-
4721146.217.3①～④根桩之间3层4835-3948143.415.9①～⑤根桩之间2层4613-3868137.414.7①～⑤根桩之间3层4305-3737133.814.0①～⑥根桩之间2层5314-6857137.617.0钢管桩4930-6864137.415.8PHC桩4572-5590159.424.7①～④根桩之间3层3778-4696157.123.6①～⑤根桩之间2层3799-4464150.021.9①～⑤根桩之间3层3620-4188146.421.0①～⑥根桩之间2层
由表1可以看出：当排架由钢平联撑承受水平力时，在水平力正、负2个方向，桩最大位移都比设置叉桩时大；当水平力方向为正、①～④根桩之间设置3层平联撑时横梁正弯矩比设置叉桩时大。

其余排架在设置平联撑条件下，横梁的正负弯矩和桩应力比设置叉桩时小，但最大位移都大于设置叉桩时。

由此可知，钢平联撑虽然可以增强码头结构的整体刚度和减小排架位移，有利于码头平台的安全使用。

但是，减小排架位移的作用效果不如设置叉桩明显。

因此，在码头桩基设计时，应综合考虑采用叉桩或全直桩加平联撑结构的工程费用、地质条件、工期等因素，择优选择桩型及布置方案。

本文进一步印证了万爱玉等[7]的结论。

增设平联撑可增强码头结构整体刚度，使结构受力更加协调，可在一定程度上提高码头抵抗水平力的能力。

4 结语
1)在叉桩的排架中，随着桩斜度和转角的改变，横梁正弯矩呈现抛物线形式，横梁负弯矩、桩基应力和位移呈现线性趋势。

桩斜度n∈(4，5)和桩角度20°时，横梁弯矩、钢管桩应力和位移都处于中间最优值。

2)通过对比不同桩型的叉桩和平联撑排架计算结果，分析得出叉桩在高桩码头排架中对于抵抗码头水平力产生的位移作用远大于设置平联撑。

参考文献：
[1] 中交第一航务工程勘察设计院有限公司,中交第二航务工程勘察设计院有限公司.
港口工程荷载规范:JTS 144-1—2010[S].北京：人民交通出版社，2010.
[2] 邱驹.港工建筑物[M].天津：天津大学出版社，2002.
[3] 中交第三航务工程勘察设计院有限公司.港口工程桩基规范:JTS 167-4—
2012[S].北京：人民交通出版社，2012.
[4] 中交水运规划设计院有限公司.水运工程钢结构设计规范:JTS 152—2012[S].北京：人民交通出版社，2012.
[5] 中交第三航务工程勘察设计院有限公司.高桩码头设计与施工规范:JTS 167-1—2010[S].北京：人民交通出版社，2010.
[6] 陈成佳.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，1989.
[7] 万爱玉，周远方，王留洋,等.全直桩高桩码头平联撑作用影响分析[J].水运工程，2015(5):186-190.。