淺談內(nèi)河高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法

1、<p>　　淺談內(nèi)河高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法</p><p>　　摘 要：本文通過(guò)分析內(nèi)河高樁框架碼頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成，闡述內(nèi)河高樁框架碼頭的設(shè)計(jì)理論現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，為同類型工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：內(nèi)河 高樁框架碼頭 設(shè)計(jì)理論 方法 </p><p>　　1.內(nèi)河框架碼頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn) </p>&l

2、t;p>　　高樁框架碼頭是高樁碼頭結(jié)構(gòu)型式之一，一般適用于水位差較大需多層系纜的內(nèi)河碼頭。與高樁碼頭其它結(jié)構(gòu)型式相比，內(nèi)河高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)： </p><p>　　碼頭水工建筑物結(jié)構(gòu)高度大。由于內(nèi)河碼頭設(shè)計(jì)高低水位差大，水位漲落變幅大，水流流速較大等因素導(dǎo)致高樁碼頭的框架高度大。 </p><p>　　連續(xù)、分級(jí)或浮式的系靠泊設(shè)施。由于河道水深和航行條件的限制，內(nèi)河船舶尺度

3、較小，船舶滿載時(shí)干舷較低，為了滿足不同水位下船舶系靠泊要求，碼頭結(jié)構(gòu)通常需要布置多層系船柱或浮式靠泊設(shè)施。 </p><p>　　大直徑灌注樁基礎(chǔ)。一方面由于內(nèi)河碼頭設(shè)計(jì)高低水位差大，碼頭受船舶荷載等水平力作用時(shí)樁基礎(chǔ)內(nèi)力大；另一方面由于河床覆蓋層較薄，持力層埋藏較淺；且受到航道橋梁通航條件的影響而大型的打樁設(shè)備不能到達(dá)等約束條件限制而無(wú)法進(jìn)行預(yù)制樁施工。因此，內(nèi)河碼頭一般采用適應(yīng)性強(qiáng)且抗彎性能好的大直徑灌注樁基

4、礎(chǔ)。 </p><p>　　內(nèi)河框架碼頭上部結(jié)構(gòu)布置有橫梁、縱梁外還有縱橫撐，上部結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，空間受力特性明顯。 </p><p>　　2.內(nèi)河框架碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成 </p><p>　　高樁框架碼頭上部結(jié)構(gòu)主要由面板、縱梁、橫梁、縱橫撐、立柱和靠船立柱等組成；下部結(jié)構(gòu)主要由樁基組成。對(duì)于一般的內(nèi)河碼頭，若碼頭配備有專門的為停靠船舶解系纜的水手時(shí)，每層系纜

5、平臺(tái)的高差可在3～5m，系船柱基本都是設(shè)置在系靠船梁上。典型結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)中不配備船舶解系纜的水手而由船員自行解纜的碼頭，為了船員解系纜的安全和方便，其系纜平臺(tái)高差宜控制在2～3m。 </p><p>　　3.高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法簡(jiǎn)介 </p><p>　　3 . 1 高樁框架碼頭設(shè)計(jì)理論現(xiàn)狀 </p><p>　　高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)受力具

6、有空間特性?，F(xiàn)行高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范中，對(duì)于一般情況下的高樁碼頭按縱橫兩個(gè)平面進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算分析，即橫向排架內(nèi)力計(jì)算和縱向彈性支撐或剛性支撐連續(xù)梁計(jì)算。這種簡(jiǎn)化假定的依據(jù)：①結(jié)構(gòu)分段的長(zhǎng)度比寬度大許多，一般大3～4倍，相對(duì)來(lái)說(shuō)縱向平面剛度較小，各橫向排架基本獨(dú)立工作；②分段內(nèi)各橫向排架的間距和結(jié)構(gòu)相同；③各橫向排架的受荷條件和能力相同。④通過(guò)大量的計(jì)算及代表性工程的研究分析，認(rèn)為簡(jiǎn)化計(jì)算與按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算誤差不大，且大多便于安全。 <

7、;/p><p>　　但當(dāng)碼頭縱橫向剛度比較接近時(shí)，且結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)空間特性較為顯著時(shí)，無(wú)法簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力宜按空間計(jì)算更為合理。 </p><p>　　3 . 2 高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算方法 </p><p>　　鑒于這些問(wèn)題的存在，南京水利科學(xué)研究院的洪曉玲、柏文正等人研究編制了電算程序?qū)Ω邩洞a頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體空間受力計(jì)算。河海大學(xué)的孫俊文、胡維俊等人則通過(guò)

8、另一種方式在高樁碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮了樁土的相互作用，即將樁在泥面處截開(kāi)，分別取泥面以下樁土和上部結(jié)構(gòu)組成的空間體系作為計(jì)算對(duì)象，采用桿系有限單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。 </p><p>　　易工高樁框架式碼頭CAD軟件是上海易工工程技術(shù)服務(wù)有限公司依據(jù)《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 167-1-2010）及其他水運(yùn)工程系列最新規(guī)范開(kāi)發(fā)的工程輔助設(shè)計(jì)軟件。該軟件的計(jì)算方法為平面桿系有限元法，并在軟件中實(shí)現(xiàn)了上部結(jié)構(gòu)和

9、下部結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的后處理設(shè)計(jì)，比如結(jié)構(gòu)配筋、樁承載力分析等。 </p><p>　　由全直樁組成的橫向排架結(jié)構(gòu)，河海大學(xué)（1990年）以武漢紅鋼城碼頭作為依托，進(jìn)行全直樁排架模型研究試驗(yàn)。試驗(yàn)表明橫向排架按具有彈性支撐的連續(xù)梁或彈性支撐的剛架計(jì)算是可行的；在水平荷載作用下，橫向排架基樁中以自由長(zhǎng)度最小的后樁受力最大，其樁身最大彎矩位于泥面以下的位置也最深；采用假想嵌固點(diǎn)法計(jì)算全直樁橫向排架

10、比采用m法更符合試驗(yàn)結(jié)果。 </p><p>　　日本《港口設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)?解說(shuō)》（1989）[3]規(guī)定，直樁式順岸碼頭樁基的水平抗力、彎矩和軸向力以及上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，可按張（有齡）氏法的假想嵌固點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算。 </p><p>　　現(xiàn)行高樁碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中，框架式碼頭一般在縱向和橫向均為多層平面剛架結(jié)構(gòu)，內(nèi)力計(jì)算按空間模型，采用采用有限元法進(jìn)行計(jì)算。全部為直樁時(shí)，由于受碼頭高度大，在水平力

11、作用下，樁基需抵抗較大的彎矩，不但要求樁應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，樁與上部結(jié)構(gòu)的連接也必須具有足夠的錨固強(qiáng)度，一般要求樁按上下固結(jié)計(jì)算。碼頭按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，以計(jì)算樁內(nèi)力為目的時(shí)，按平面問(wèn)題與按空間問(wèn)題進(jìn)行分析，基樁內(nèi)力相差不大。框架碼頭作為剛性樁臺(tái)，在外力作用下，一般只考慮樁臺(tái)整體的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，不考慮框架本身的變形，因此支撐于框架立柱的橫梁可按剛性支撐連續(xù)梁計(jì)算。計(jì)算框架內(nèi)力時(shí)，將橫梁、靠船立柱、立柱、縱橫撐等構(gòu)件簡(jiǎn)化為單個(gè)桿件，并考慮各桿件

12、的剛度，各節(jié)點(diǎn)均按固結(jié)處理，用空間桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算。 </p><p>　　按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算框架碼頭結(jié)構(gòu)，其計(jì)算過(guò)程可采用矩陣位移法、有限單元法或有限差分法，由計(jì)算機(jī)程序完成求解。有限單元法是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，用矩陣進(jìn)行推演，用計(jì)算機(jī)程序作數(shù)值解算，是求解各領(lǐng)域數(shù)理方程的一種通用的近似方法?，F(xiàn)有的有限元結(jié)構(gòu)分析程序，如SAP2000、Midas Civil、Ansys、ABAQUS等軟件是國(guó)內(nèi)外都公認(rèn)的通用結(jié)構(gòu)有限元計(jì)

13、算軟件，把它們應(yīng)用到高樁碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算中，雖然模型建立和荷載指定較為復(fù)雜，但對(duì)于需要進(jìn)行空間內(nèi)力分析的高樁框架碼頭，仍是目前設(shè)計(jì)人員應(yīng)掌握的計(jì)算工具。 </p><p><b>　　4.結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　內(nèi)河直立式框架碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件較多，外荷載種類也較多，受力復(fù)雜，其不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最不利作用效應(yīng)組合也是復(fù)雜多樣。要想準(zhǔn)確的計(jì)算出樁基和框架構(gòu)件的內(nèi)力，首先

14、需要需要研究采用的何種計(jì)算模型，是簡(jiǎn)化為平面桿系模型還是按三維空間模型；其次，需要研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接和支撐問(wèn)題，是按固結(jié)還是鉸接，是彈性支撐還是剛性支撐；最后，需要研究各種內(nèi)力值的最不利荷載作用效應(yīng)組合。在進(jìn)行內(nèi)河高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)數(shù)值分析時(shí)，以下問(wèn)題需進(jìn)一步深入分析。 </p><p>　?、偻ㄟ^(guò)假想嵌固點(diǎn)法計(jì)算平面排架，這實(shí)際上是把碼頭的上部結(jié)構(gòu)與樁基分開(kāi)考慮。對(duì)于內(nèi)河高樁框架碼頭而言，由于樁基采用大直徑嵌巖灌

15、注樁，巖層面上的覆蓋層厚度大小不均，工程地質(zhì)也有較大差異，按常規(guī)方法進(jìn)行計(jì)算或按精確方法進(jìn)行計(jì)算應(yīng)根據(jù)所計(jì)算的構(gòu)件和內(nèi)力類型不同而異。 </p><p>　?、跓o(wú)論是采用易工高樁框架式碼頭CAD軟件還是采用通用結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件計(jì)算分析內(nèi)河高樁框架碼頭，其計(jì)算原理均為有限單元法。應(yīng)用有限單元法可進(jìn)行框架碼頭橫向排架計(jì)算（平面問(wèn)題）或進(jìn)行空間框架結(jié)構(gòu)計(jì)算，在進(jìn)行有限元數(shù)值分析時(shí)，如何建立碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，如何定義碼

16、頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元類型和各單元之間的連接屬性，如何施加外荷載，如何模擬樁土的相互作用，滿足工程設(shè)計(jì)精度要求，是碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的關(guān)鍵。 </p><p>　?、蹅鹘y(tǒng)的高樁碼頭平面計(jì)算方法受力明確，方法簡(jiǎn)單，在一定的歷史條件下被廣大設(shè)計(jì)人員所接受，但隨著計(jì)算機(jī)科技的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)它存在沒(méi)有完全考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)體系之間力的傳遞和對(duì)有些型式的框架結(jié)構(gòu)無(wú)法計(jì)算等；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)計(jì)算程序也越來(lái)越完善，在使用上更為方

17、便快捷，在內(nèi)河高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)多進(jìn)行平面計(jì)算與空間計(jì)算的比較，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使框架碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理。另一方面，由于平面計(jì)算方法主要是針對(duì)各排架均相近的碼頭結(jié)構(gòu)，而對(duì)于排架內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況，比如排架內(nèi)樁的數(shù)量不同，或結(jié)構(gòu)段內(nèi)存在固定吊機(jī)墩臺(tái)，這時(shí)采用空間剛架有限元計(jì)算的優(yōu)勢(shì)明顯。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]中華