淺談內河高樁框架碼頭結構設計理論和方法

1、<p>　　淺談內河高樁框架碼頭結構設計理論和方法</p><p>　　摘 要：本文通過分析內河高樁框架碼頭的結構特點、結構構件組成，闡述內河高樁框架碼頭的設計理論現狀、結構計算方法，為同類型工程設計提供技術支撐。 </p><p>　　關鍵詞：內河 高樁框架碼頭 設計理論 方法 </p><p>　　1.內河框架碼頭結構特點 </p>&l

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

3、較小，船舶滿載時干舷較低，為了滿足不同水位下船舶系靠泊要求，碼頭結構通常需要布置多層系船柱或浮式靠泊設施。 </p><p>　　大直徑灌注樁基礎。一方面由于內河碼頭設計高低水位差大，碼頭受船舶荷載等水平力作用時樁基礎內力大；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備不能到達等約束條件限制而無法進行預制樁施工。因此，內河碼頭一般采用適應性強且抗彎性能好的大直徑灌注樁基

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

5、平臺的高差可在3～5m，系船柱基本都是設置在系靠船梁上。典型結構斷面如圖1所示。對于實際設計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，其系纜平臺高差宜控制在2～3m。 </p><p>　　3.高樁框架碼頭結構設計理論和方法簡介 </p><p>　　3 . 1 高樁框架碼頭設計理論現狀 </p><p>　　高樁框架碼頭結構受力具

6、有空間特性?，F行高樁碼頭設計與施工規(guī)范中，對于一般情況下的高樁碼頭按縱橫兩個平面進行內力計算分析，即橫向排架內力計算和縱向彈性支撐或剛性支撐連續(xù)梁計算。這種簡化假定的依據：①結構分段的長度比寬度大許多，一般大3～4倍，相對來說縱向平面剛度較小，各橫向排架基本獨立工作；②分段內各橫向排架的間距和結構相同；③各橫向排架的受荷條件和能力相同。④通過大量的計算及代表性工程的研究分析，認為簡化計算與按空間結構計算誤差不大，且大多便于安全。 <

7、;/p><p>　　但當碼頭縱橫向剛度比較接近時，且結構受力較為復雜，結構空間特性較為顯著時，無法簡化計算時，樁結構內力宜按空間計算更為合理。 </p><p>　　3 . 2 高樁框架碼頭結構計算方法 </p><p>　　鑒于這些問題的存在，南京水利科學研究院的洪曉玲、柏文正等人研究編制了電算程序對高樁碼頭結構進行整體空間受力計算。河海大學的孫俊文、胡維俊等人則通過

8、另一種方式在高樁碼頭結構計算中考慮了樁土的相互作用，即將樁在泥面處截開，分別取泥面以下樁土和上部結構組成的空間體系作為計算對象，采用桿系有限單元法進行結構計算。 </p><p>　　易工高樁框架式碼頭CAD軟件是上海易工工程技術服務有限公司依據《高樁碼頭設計與施工規(guī)范》（JTS 167-1-2010）及其他水運工程系列最新規(guī)范開發(fā)的工程輔助設計軟件。該軟件的計算方法為平面桿系有限元法，并在軟件中實現了上部結構和

9、下部結構一體化設計，同時可以進行結構簡單的后處理設計，比如結構配筋、樁承載力分析等。 </p><p>　　由全直樁組成的橫向排架結構，河海大學（1990年）以武漢紅鋼城碼頭作為依托，進行全直樁排架模型研究試驗。試驗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算是可行的；在水平荷載作用下，橫向排架基樁中以自由長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；采用假想嵌固點法計算全直樁橫向排架

10、比采用m法更符合試驗結果。 </p><p>　　日本《港口設施標準?解說》（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構的內力，可按張（有齡）氏法的假想嵌固點法進行計算。 </p><p>　　現行高樁碼頭設計規(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構，內力計算按空間模型，采用采用有限元法進行計算。全部為直樁時，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，不但要求樁應具有足夠的強度，樁與上部結構的連接也必須具有足夠的錨固強度，一般要求樁按上下固結計算。碼頭按空間結構計算時，以計算樁內力為目的時，按平面問題與按空間問題進行分析，基樁內力相差不大?？蚣艽a頭作為剛性樁臺，在外力作用下，一般只考慮樁臺整體的位移和轉動，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)梁計算。計算框架內力時，將橫梁、靠船立柱、立柱、縱橫撐等構件簡化為單個桿件，并考慮各桿件

12、的剛度，各節(jié)點均按固結處理，用空間桿系結構計算。 </p><p>　　按空間結構計算框架碼頭結構，其計算過程可采用矩陣位移法、有限單元法或有限差分法，由計算機程序完成求解。有限單元法是以彈性力學為基礎，用矩陣進行推演，用計算機程序作數值解算，是求解各領域數理方程的一種通用的近似方法?，F有的有限元結構分析程序，如SAP2000、Midas Civil、Ansys、ABAQUS等軟件是國內外都公認的通用結構有限元計

13、算軟件，把它們應用到高樁碼頭結構計算中，雖然模型建立和荷載指定較為復雜，但對于需要進行空間內力分析的高樁框架碼頭，仍是目前設計人員應掌握的計算工具。 </p><p><b>　　4.結語 </b></p><p>　　內河直立式框架碼頭結構構件較多，外荷載種類也較多，受力復雜，其不同結構構件的最不利作用效應組合也是復雜多樣。要想準確的計算出樁基和框架構件的內力，首先

14、需要需要研究采用的何種計算模型，是簡化為平面桿系模型還是按三維空間模型；其次，需要研究結構構件的連接和支撐問題，是按固結還是鉸接，是彈性支撐還是剛性支撐；最后，需要研究各種內力值的最不利荷載作用效應組合。在進行內河高樁框架碼頭結構數值分析時，以下問題需進一步深入分析。 </p><p>　?、偻ㄟ^假想嵌固點法計算平面排架，這實際上是把碼頭的上部結構與樁基分開考慮。對于內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，工程地質也有較大差異，按常規(guī)方法進行計算或按精確方法進行計算應根據所計算的構件和內力類型不同而異。 </p><p>　?、跓o論是采用易工高樁框架式碼頭CAD軟件還是采用通用結構有限元計算軟件計算分析內河高樁框架碼頭，其計算原理均為有限單元法。應用有限單元法可進行框架碼頭橫向排架計算（平面問題）或進行空間框架結構計算，在進行有限元數值分析時，如何建立碼頭結構計算模型，如何定義碼

16、頭結構構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，滿足工程設計精度要求，是碼頭結構內力計算的關鍵。 </p><p>　　③傳統(tǒng)的高樁碼頭平面計算方法受力明確，方法簡單，在一定的歷史條件下被廣大設計人員所接受，但隨著計算機科技的發(fā)展，發(fā)現它存在沒有完全考慮整個結構體系之間力的傳遞和對有些型式的框架結構無法計算等；隨著計算機技術的迅速發(fā)展，空間結構計算程序也越來越完善，在使用上更為方

17、便快捷，在內河高樁框架碼頭結構計算中應多進行平面計算與空間計算的比較，取長補短，使框架碼頭結構設計更為合理。另一方面，由于平面計算方法主要是針對各排架均相近的碼頭結構，而對于排架內結構復雜的情況，比如排架內樁的數量不同，或結構段內存在固定吊機墩臺，這時采用空間剛架有限元計算的優(yōu)勢明顯。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]中華