第19卷 第5期 中 国 水 运 Vol.19 No.5 2019年 5月 China Water Transport May 2019 水平荷载作用下高桩墩台结构三维有限元计算分析 郭国森 （广东省航运规划设计院有限公司，广东 广州 510050） 摘 要：高桩墩台结构承受水平荷载的能力与码头的桩基是否布置斜桩有很大的关系。寻求在相同水平力方向荷载作用下高桩墩台桩基合理布置方案及桩基选型，可充分发挥桩基承载力，不仅对工程造价、码头使用，而且对提高结构抗水平荷载的能力有着十分重要的现实意义。本文以佛山某高桩靠船墩台的标准结构桩基布置和选型为例，运用有限元计算软件Midas，对比相同水平荷载作用下，不同的桩基结构形式的内力变形，并重点讨论了水平荷载作用下码头结构的桩基受力特性，在此基础上提出码头桩基选型及布置的建议。 关键词：全直桩高桩墩台；斜桩高桩墩台；三维有限元；模拟分析；水平荷载 中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）05-0148-02 全直桩高桩墩台结构是港口工程中的一种常见结构形式，应用较为广泛，相比于有斜桩的墩台结构，他具有其独特的特点：受力均匀，结构受力合理；沉桩快速、方便，能较好的适应岸坡变形；结构本身能吸收船舶撞击能量。但全直桩码头也有其显著的缺点，侧向刚度较小，在船舶撞击作用下，易产生较大变位，桩本身需要承受较大的弯矩，因此，对桩基结构本身的抗弯承载力要求高，所需桩径也较大。而对有斜桩的码头，水平力绝大部分直接转化为斜桩的轴向力，受力明确，对桩基结构本身的抗弯承载力要求较低，结构能承受较大的水平荷载，具有较大的经济性，但对边坡变形的适应性较差，沉桩上对施工设备和施工条件要求较高。工程方案设计上，在只有直桩的情况下，船舶系缆力及撞击力等水平荷载是如何传递到码头结构上，一直是常规计算中的难点，且这关系到全直桩结构方案的成功合理与否，也直接影响到码头结构的造价。三维有限元分析方法不仅较为真实的模拟出桩土的相互作用，还能全面的反应高桩墩台结构受力机理，对方案设计及工程实例具有不可忽视的指导作用。 一、工程概况 本文研究对象采用佛山某码头的高桩靠船墩标准结构段，项目拟布置2个1,000t级散装水泥装卸泊位，每个泊位在原码头主体结构靠水侧布置2个靠船墩，靠船墩中心间距为17.9m，码头前沿顶高程为+10.8m，码头结构按3,000t级设计。前期共设计了2个方案： 方案一：靠船墩采用高桩大板框架结构，墩台下设置6根Φ1200灌注桩，以强风化岩作为持力层，桩底标高要求入强风化岩层不小于9m；桩基上设置2.2m厚墩台，墩台平面尺寸7.5m×10.2m（长×宽），上部结构为框架结构，分为2层，一级平台标高3.40m，二级平台标高7.00m；其中，顶层墩台厚度为1.2m，平面尺寸5.5m×6.0m，顶面标高10.8m；立柱截面尺寸1.2m×1.0m，横撑、纵撑截面尺寸均1.0m×1.0m。 收稿日期：2019-01-01 作者简介：郭国森（1986-），男，广东省航运规划设计院有限公司工程师。 图1 靠船墩结构断面图 二、水文条件 1．设计水位 设计高水位+10.28m，设计低水位+0.16m。 2．设计水流 设计最大流速：1.5m/s。 3．设计荷载 船舶撞击力设计值：550kN。靠泊速度：3,000t级船舶靠船速度≤0.2m/s，选用护舷：DA-A400H×2,000L标准反力型橡胶护舷；设计吸能92kJ；设计反力550kN。 三、有限元模型及计算工况 靠船墩采用DA-A400H×2,000L橡胶护舷作为码头的防撞设备。 方案二：每个墩台设置4根Φ1,000钢管桩（壁厚18mm），其中2根直桩，2根斜桩（斜率4：1），桩基上设置2.2m厚墩台，墩台平面尺寸7.5m×7.0m，上部结构为框架结构，结构型式和防撞设备（橡胶护弦设置）与方案一相同。 各个方案的典型断面图见图1。 第5期 郭国森：水平荷载作用下高桩墩台结构三维有限元计算分析 149 1．计算模型 （1）计算参数 采用空间计算模型，利用大型通用有限元计算软件Midas Civil进行结构反应分析。码头钢筋混凝土结构和桩基采用线弹性本构模型，各部分构件质量密度、弹性模量和泊松比见表1。 表1 材料物理参数 质量密度ρ/泊松比 材料 弹性模量E/（MPa）（kg/m³） μ 钢管桩 7,800 205.0 0.300 灌注桩直桩（C35） 2,500 31.5 0.166 墩台、立柱、横撑、纵撑（C35） 2,500 31.5 0.166 有限元模型的整体坐标为笛卡尔坐标，原点取在靠船墩结构段的墩台临水侧左角点下方高程为零处X轴垂直于码头前沿线，，Y轴平行于码头前沿线，Z轴为垂直码头面，方向向上为正。 （2）边界条件 本模型选取项目中典型的一个靠船墩结构作为研究对象，并对其边界条件进行一定的简化：钢管桩和灌注桩桩顶与墩台固结，桩底端采用弹性嵌固点法考虑，按桩底固结考虑，弹性长桩的受弯嵌固点深度按m法计算。各桩嵌固点的深度根据实际疏浚边坡情况计算确定。 （3）计算单元 靠船墩的立柱、横撑、纵撑及钢管桩、灌注桩用梁单元模拟，墩台采用厚板单元模拟。 2．计算工况 靠船墩结构桩基，是否采用斜桩直接影响到结构的横、纵向刚度，结构的横、纵向刚度过小，结构会产生较大的位移和内力而影响到水工建筑物的正常使用，因此，如果不布置斜桩，则需要通过加大桩径，来增加结构本身的刚度来抵抗水平荷载。因此，桩基的直径选择应综合考虑水平荷载作用确定。 本文主要考虑结构自重力+船舶撞击力的工况对结构桩基布置进行分析。橡胶护舷布置在靠船墩的底层墩台及立柱上，计算的船舶撞击力为550kN，按设计高水位时，其对靠船墩最不利影响位置考虑，以集中荷载的形式施加到计算模型中，荷载分项系数则根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）取值，最终建立计算模型如图2所示。 图2 靠船墩结构计算模型 四、计算结果分析 以全直桩布置型式和斜桩布置型式来讨论靠船墩刚度的影响及桩基的受力情况。在上述计算工况下的不同结构形式的最大内力值对比见表2。 表2 不同结构形式的最大内力值对比 弯矩 最大桩力 最小桩力 整体位移 项目 （kN·m） （kN） （KN） Umax（m） ∅1000钢管桩 -841.83 946.13 3,630.17 508.3 0.15 ∅1200灌注桩 -2,442.43 2,530.17 3,336.31 541.1 0.02 从表2可以看出：相同撞击力作用下，全直桩方案较有斜桩的方案，桩基结构产生的桩弯矩较大。若采用全直桩的方案，则需要采用直径1,200mm的灌注桩作为桩基础，同时相应增加根数，才能满足结构的受力要求。 对有斜桩的方案，由于水平力绝大部分直接转化为斜桩的轴向力，对桩基结构本身的抗弯承载力要求较低，可以采用较小的桩径及桩数，上部结构采用较小的墩台便能承受较大的水平荷载，但由于桩径和桩数量相对较小，使得结构的整体刚度相对较低，产生的位移相对也较大，但位移在允许范围值内。 依据上述三维有限元的计算结果，我们对结构的合理性预先判断，为甲方指定了上述两个方案。两个方案均合理可行，其中全直桩方案采用的是Φ1,200mm的灌注桩施工，对地质岩层的变化适应性较强，具有施工的便利性，但工程量较大。有斜桩的方案具有较大的经济性，但采用的是Φ800mm的钢管桩施工，沉桩的施工要求较高，而且钢管桩需要在工厂提前预制，遇岩层突变大的地层，接桩困难。鉴于本工程上下游两个泊位的靠船墩结构所在位置处，岩面的起伏较大，甲方综合比选后，考虑施工便利性，最后采用了全直桩的灌注桩方案。 五、结语 （1）相对于传统的力学方法对全直桩或有斜桩的高桩码头结构做大量简化和近似而言，三维有限元的计算更能模拟出码头结构的实际情况，能有效的解决简化计算存在中的大多问题，能解决结构复杂带来的计算不便的问题，还能够快捷的计算出码头结构各点的内力和位移变形情况，可以对结构的合理性预先判断，所以对码头桩基选型及布置的有指导作用。 （2）实际工程实施中，基于全直桩和有斜桩两种结构形式的特点，通过三维有限元的计算分析，在需要承受较大水平荷载作用的情况下，全直桩可考虑通过加大桩径，增加桩本身的刚度来抵抗较大的水平力；当施工条件允许时，可适当增加斜桩将水平力绝大部分转化为斜桩的轴向力，以满足结构的安全使用要求。 参考文献 [1] JTS167-2018《码头结构设计规范》[S]. [2] JTS144-1-2010《港口工程荷载规范》[S]. [3] 交通部第一航务工程勘察设计院.海港工程设计手册（中册）[M].北京：人民交通出版社，1997.