高樁碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法的探討

李艷清

摘 要：高樁碼頭結(jié)構(gòu)位移產(chǎn)生的樁彎矩采用嵌固點法，由于嵌固點法對位移作用下計算的內(nèi)力誤差較大，因此計算位移產(chǎn)生的樁彎矩不宜采用嵌固點法，故本文提出碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法，考慮了樁頂?shù)倪B接情況、樁的泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素。得出以下結(jié)論：①直樁與叉樁受樁頂水平變位影響不大，但叉樁會產(chǎn)生軸力；樁頂剛接時產(chǎn)生彎矩、剪力值大于樁頂鉸接。②在縱向水平力作用下，近似將所有基樁的樁頂合成為一個水平剛度，可減小單樁承載力，其值約為原承載力的1/20。本文所提出的計算方法能考慮樁頂?shù)倪B接情況、樁的泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素，可為設(shè)計確定分段長度的計算方法，同時研究溫差與縱向荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形計算問題，具有很好的推廣應(yīng)用價值，并可為今后修訂高樁碼頭設(shè)計規(guī)范時補(bǔ)充縱向計算內(nèi)容提供參考。

關(guān)鍵詞：高樁碼頭 縱向內(nèi)力 水平荷載 直樁 叉樁

1.引言

現(xiàn)行高樁碼頭規(guī)范沒有明確規(guī)定縱向力及溫差對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響如何計算，在設(shè)計實踐中通常采用以下兩種方法：①假設(shè)縱向力由專門設(shè)置的縱向叉樁承擔(dān)；②采用空間有限元方法計算縱向作用。前者雖然計算簡便，但卻沒有考慮到大量的直樁與橫向叉樁可參與抵抗縱向水平力的作用，也沒有考慮伸縮縫受力閉合后相鄰分段的共同工作，一般適合于采用簡單措施增加碼頭縱向水平抗力的計算。后者采用空間有限元計算縱向作用又過于復(fù)雜，實際上縱向水平力及溫差對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力相對不大，無需精確計算。

由于嵌固點法對水平荷載作用下計算的內(nèi)力精度較高，而對位移作用下計算的內(nèi)力誤差較大。因此，本文提出結(jié)構(gòu)縱向簡化方法，考慮樁頂連接情況、樁泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素的影響，采用精度相對較高的m法計算荷載及位移產(chǎn)生的樁內(nèi)力；同時研究溫差與縱向荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形計算問題，可做為設(shè)計確定高樁碼頭分段長度的計算方法。

2.計算基本假定

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性與結(jié)構(gòu)力學(xué)基本理論，結(jié)構(gòu)縱向內(nèi)力設(shè)計計算作如下假定：

（1）上部結(jié)構(gòu)的混凝土收縮、氣象溫差伸縮將帶動樁頂產(chǎn)生水平變位，導(dǎo)致基樁產(chǎn)生內(nèi)力?？紤]到碼頭平臺平面變形剛度遠(yuǎn)大于基樁樁頂?shù)乃絼偠?，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，可近似認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)的混凝土收縮、氣象溫差伸縮在平面上的變形是不受約束的。

（2）基樁的樁頂連接分為剛接和鉸接兩種形式?？紤]到剛接樁頂轉(zhuǎn)角剛度一般遠(yuǎn)小于縱梁體系的轉(zhuǎn)角剛度，故可近似假定剛接樁頂在混凝土收縮、氣象溫差伸縮及縱向荷載作用下樁頂不產(chǎn)生轉(zhuǎn)角。

（3）縱向計算不考慮結(jié)構(gòu)的平面扭轉(zhuǎn)影響。長分段結(jié)構(gòu)長寬比較大，無論混凝土收縮、氣象溫差伸縮、或碼頭上的縱向荷載作用，所產(chǎn)生的碼頭扭角都不大，可以忽略平面扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的內(nèi)力。

（4）基樁受拉與受壓的軸向剛度不變。即叉樁在水平力作用下結(jié)點基本不產(chǎn)生豎向位移，忽略樁頂結(jié)點在溫差及水平力作用下產(chǎn)生的豎向位移。

3.樁基內(nèi)力分析

3.1樁頂單位水平位移產(chǎn)生的樁內(nèi)力

先分析直樁內(nèi)力，然后以直樁的成果為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析斜樁的內(nèi)力。

（1）直樁內(nèi)力計算

假定泥上高度為h，樁身抗彎剛度為EI，樁相對剛度系數(shù)為T，樁頂水平位移為δ。

① 當(dāng)樁頂鉸接時，樁頂水平剛度為：

確定。（樁身A= 0.4 81 m2，I=0.0713m4，E取39GkPa，相對剛度T=2.587m。），當(dāng)樁頂水平位移為δ=10mm時，內(nèi)力計算結(jié)果如下：

樁頂鉸接時，由（式1）得U=657kN/m，由（式5～8）得樁頂剪力Qt=2642*0.01=26.4kN、樁頂彎矩Mt=0；泥面剪力Qs=26.4kN、泥面彎矩Ms=26.4*10=264kN·m；按（式9～10）得泥下彎矩Mλ=292kN·m。

樁頂剛接時，由（式3 ～ 4）得Ψ=7. 3 0 5 m，U =1 0 2 9 5 k N / m，由（式5 ～ 8）得樁頂剪力Qt=10295*0.01=102.9kN、樁頂彎矩Mt=7.305*102.9=752kN·m；泥面剪力：Qs=102.9k N、泥面彎矩Ms=277kN.m；按（式9～10）得泥下彎矩Mλ=434kN·m。

當(dāng)樁頂鉸接時，由（式1）得U=2657kN/m，由（式5～8）得樁頂剪力Qt=2642×0.097=25.6kN，樁頂彎矩Mt=0；泥面剪力Qs=25.6kN、泥面彎矩Ms=25.6kN·m；由（式9～10）得泥下最大彎矩Mλ=283kN·m。

當(dāng)樁頂剛接時，由（式2～3）式得Ψ=7.305m，U=10295k N/ m，由（3-5）～（3-8）式得樁頂剪力Qt=10295*0.097=99.9kN，樁頂彎矩Mt=7.305×99.9=730kN·m；泥面剪力Qs= 99.9k N、泥面彎矩Ms=269kN·m；由（式9～10）得泥下最大彎矩Mλ=421kN·m。

通過以上計算示例可知，直樁與叉樁受樁頂水平變位影響不大，但叉樁會產(chǎn)生軸力；樁頂剛接時產(chǎn)生彎矩、剪力值大于樁頂鉸接。

計算示例3：某碼頭分段有10榀排架，每榀排架有8根φ1000大管樁，樁泥上長度10m，樁頂剛接，其它情況與上例相同，假定排架的橫向叉樁與直樁的單樁樁頂?shù)目v向剛度近似相等，均取U=10295kN/ m，在第二榀排架處另布置有一對縱向受力叉樁，斜度為4：1，樁頂軸向剛度為K= 4 0 0 0 0 0k N/ m，樁頂縱向水平剛度約為400000/4+10295=110295kN/m，則在縱向水平力為5000kN作用下：

碼頭縱向位移約為：y=5000/（10295*8*10+110295*2）=0.0048m

縱向叉樁每根樁承受的軸力約為：N=0.0048/4*400000=480KN（如假設(shè)縱向水平力全部由縱向叉樁承擔(dān)，則每根樁軸力為5000/2*4=10000kN。）

由此可知，在縱向水平力作用下，近似將所有基樁的樁頂合成為一個水平剛度，單樁承載力約為原承載力的1/20。

5.總結(jié)計算步驟

（1）按下式計算直樁水平剛度U和斜樁水平剛度V

（5）將樁頂內(nèi)力作為外荷載計算縱梁、樁帽或下橫梁的內(nèi)力。假設(shè)樁頂反力對縱梁產(chǎn)生的彎矩為MZ，對樁頂為中間支座情況，兩側(cè)縱梁彎矩取MZ/2；對樁頂為邊緣支座情況，內(nèi)側(cè)縱梁彎矩取MZ。樁帽內(nèi)力可根據(jù)樁頂反力由靜力平衡法直接確定。當(dāng)采用無樁帽形式、樁基沿下橫梁布置時，在溫差及水平荷載作用下斜樁樁頂反力對橫梁的作用可分解為豎直和水平兩個方向計算。

6.結(jié)論

（1）本文解決了高樁碼頭在溫差與荷載作用下的縱向設(shè)計計算問題，所提出的計算方法能考慮樁頂?shù)倪B接情況、樁的泥上高度、樁身柔性、樁基布置等因素，可為設(shè)計確定分段長度的計算方法。

（2）直樁與叉樁受樁頂水平變位影響不大，但叉樁會產(chǎn)生軸力；樁頂剛接時產(chǎn)生彎矩、剪力值大于樁頂鉸接。

（3）在縱向水平力作用下，近似將所有基樁的樁頂合成為一個水平剛度，可減小單樁承載力，其值約為原承載力的1/20。

（4）考慮在溫差與荷載作用下高樁碼頭的縱向計算方法，應(yīng)用簡便合理，能夠滿足設(shè)計精度要求，可作為縱向溫差、受力與縱向抗震的簡化計算方法。所推薦的計算公式均采用顯式表示，適合采用電子表格計算，方便設(shè)計應(yīng)用。

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