鋼板樁碼頭施工過(guò)程中受力探討

秦曉東

（長(zhǎng)江南京航道局，江蘇 南京 210000）

海運(yùn)是現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)貿(mào)易過(guò)程中非常重要的一種交通運(yùn)輸形式，有著其他運(yùn)載方式無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)，比如運(yùn)輸限制比較少、運(yùn)輸費(fèi)用比較低等，常用于國(guó)際貿(mào)易、長(zhǎng)途貿(mào)易以及大宗貿(mào)易等。特別對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，我國(guó)的海岸線(xiàn)長(zhǎng)度排名世界前列，再加上我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，港口成了連接國(guó)內(nèi)外貿(mào)易的重要樞紐，其質(zhì)量和使用效率會(huì)直接影響到我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。鋼板樁碼頭是現(xiàn)代碼頭的主要形式之一，在我國(guó)，沿海和內(nèi)河港口都有著非常廣泛的應(yīng)用?；诖耍疚闹鲗?duì)鋼板樁碼頭建設(shè)過(guò)程中的受力進(jìn)行了分析，具體如下：

1 概述

所謂的鋼板樁式碼頭，就是將一定長(zhǎng)度的鋼板型樁打入地基，以此來(lái)構(gòu)成一面連續(xù)墻，然后通過(guò)拉桿、帽梁、導(dǎo)梁和錨碇等結(jié)構(gòu)共同組合成的直立式樣的碼頭。在修建過(guò)程中，將板樁埋在土下，以此產(chǎn)生側(cè)向的土抗力，然后通過(guò)上部的錨錠結(jié)構(gòu)來(lái)穩(wěn)定整體，以此來(lái)構(gòu)成碼頭的主體。

板樁結(jié)構(gòu)不僅在碼頭的修建中有所使用，在其他類(lèi)型的擋土和擋水工程中也有著比較廣泛的應(yīng)用，之所以如此，是應(yīng)為該結(jié)構(gòu)有著結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低而且施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在具體施工時(shí)，可以先進(jìn)行打板樁，然后再進(jìn)行港池的挖建，達(dá)到減少工程量的目的。目前使用較多的板樁結(jié)構(gòu)材料主要有兩種。第一種是鋼筋混凝土材料，該種材料的優(yōu)點(diǎn)是耐久性非常好，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，第二種是鋼板樁材料，這種材料的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量更小，而且強(qiáng)度更高，連接處非常緊密，止水效果更好，更加容易進(jìn)行沉樁操作，同時(shí)還可以進(jìn)行重復(fù)利用，兼具了環(huán)保節(jié)能的功效，所以使用的范圍更加廣泛。

上世紀(jì)20年代，板樁結(jié)構(gòu)開(kāi)始在諸如日本、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家得到應(yīng)用，而且并非只限制于碼頭領(lǐng)域，在碼頭的建設(shè)，船閘的修建、擋土墻以及河岸壁壘等。隨著不斷的實(shí)踐和深化，鋼板樁結(jié)構(gòu)因其簡(jiǎn)單方便、承載力強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)得到了更大范圍的應(yīng)用，隨著修建環(huán)境的不斷變化，對(duì)其受力要求也越來(lái)越高，對(duì)施工工藝和承載能力提出了進(jìn)一步的要求，在具體的施工過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)的碼頭主體比較容易受到各種不利因素的影響，甚至具體的安裝流程或者施工順序不同，也會(huì)造成結(jié)果產(chǎn)生差異。所以，在下文的案例分析中，我們將會(huì)用對(duì)其受力特性進(jìn)行分析，就具體施工過(guò)程中板樁的位移情況、各方帶來(lái)的壓力以及彎矩變化等層面，以此來(lái)對(duì)其施工流程中的受力情況有個(gè)全面的分析。

2 相關(guān)文獻(xiàn)綜述

根據(jù)碼頭受力方式和結(jié)構(gòu)形式的差異，我們通常將碼頭分為重力式碼頭、高樁式碼頭以及板樁式碼頭三種，上面我們?cè)诟攀鲋姓f(shuō)到過(guò)，鋼板樁式碼頭由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，受到了更為廣泛的應(yīng)用。在具體的施工過(guò)程中，由于施工過(guò)程的影響，經(jīng)常會(huì)使碼頭處于超載的狀態(tài)，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各個(gè)構(gòu)建也會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)一步導(dǎo)致位移，基于這種現(xiàn)狀，對(duì)于其應(yīng)力和位移進(jìn)行分析就具有非常重要的意義，不僅能夠有效地分析出碼頭施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的規(guī)律，以減少其損失，還可以對(duì)以后的其他項(xiàng)目的建設(shè)提供有效的參考。

影響鋼板樁碼頭應(yīng)力和位移的因素比較雜，比如溫度的高低、施工順序的不同、外部荷載量的大小以及構(gòu)件的銹蝕程度等，在不同的條件下，需要分析的重點(diǎn)因素也就不同。我國(guó)相關(guān)方面的研究從來(lái)沒(méi)間斷過(guò)，比如劉振平等學(xué)者在其文章中使用ABAQUS 方法對(duì)鋼板樁碼頭在冬天和夏天兩種極端溫度條件下的受力進(jìn)行了分析；而李侃學(xué)者也進(jìn)行過(guò)類(lèi)似的研究，他的研究重點(diǎn)放在了樁身側(cè)向位移、樁身土產(chǎn)生的壓力以及彎矩的變化規(guī)律等，對(duì)施工過(guò)程中鋼板樁的受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分廠全面的分析；王世明則使用的是ANSYS 分析方法，通過(guò)建立相關(guān)的計(jì)算模型，分析了鋼板樁在完整、銹蝕以及局部三種條件下分別進(jìn)行了分析。鋼板樁碼頭所使用到的拉桿和錨錠是鋼板樁碼頭的主要傳力部件，也是其之所以能夠承擔(dān)碼頭修建責(zé)任的關(guān)鍵構(gòu)件，就目前來(lái)看，需要將周?chē)耐寥サ?，才可以進(jìn)行相關(guān)的操作，并沒(méi)有什么更加成熟的檢測(cè)方法。在進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，我們通過(guò)在頂部安裝傳感器的方式，來(lái)對(duì)受力大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣節(jié)省了后續(xù)監(jiān)測(cè)的流程，降低了檢測(cè)難度，以此達(dá)到動(dòng)態(tài)檢測(cè)的目的，該方法更加準(zhǔn)確，而且也很方便，但是一定要在修建之初就安裝才可以。下面我們通過(guò)對(duì)拉桿軸力、表層位移大小的檢測(cè)來(lái)對(duì)鋼板樁碼頭的應(yīng)力和變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

3 工程概括

本次分析選取的鋼板樁碼頭工程具體數(shù)據(jù)如下，工程總長(zhǎng)度為363.89 米，高程約5.5 米，主要采用單錨板樁結(jié)構(gòu)。板樁的選擇方面，主要采用的是HZ975B-12/AZ18 組合型鋼板，使用低合金鋼強(qiáng)拉桿將主體與混凝土錨碇墻進(jìn)行相連。上部修建的時(shí)候，我們使用的是現(xiàn)澆胸墻的工藝，將胸墻和帽梁合在一起。在板樁墻上，我們?cè)O(shè)置有排水孔，以此來(lái)減小主體承受的水壓強(qiáng)，在排水孔后方，增設(shè)有混合倒濾棱體，以此來(lái)防治回填的土被沖走。

3.1 有限元模型搭建

在組合鋼板樁和回填拋石以及回填土地的時(shí)候，我們都使用了8 節(jié)點(diǎn)的solid45 實(shí)體單元進(jìn)行了搭建和模擬，針對(duì)樁體結(jié)構(gòu)，我們選用了線(xiàn)彈性模擬，而針對(duì)另外兩個(gè)主題，我們使用的是D-P 本構(gòu)關(guān)系達(dá)成測(cè)量目的，在坐標(biāo)軸構(gòu)建的時(shí)候，我們選用碼頭的橫截面作為X 軸，指向陸地的地方為正，使用鉛垂方向?yàn)閅 軸，然后向上的方向?yàn)檎?，將碼頭的前沿線(xiàn)作為最后的Z 軸，這樣整體的坐標(biāo)軸就得以建立。我們將鋼板樁的斷面作為標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)進(jìn)行模型寬度的計(jì)算。對(duì)于地基基礎(chǔ)底，在XY 三個(gè)方向進(jìn)行約束，從四個(gè)側(cè)面也分別施加了法向約束。在構(gòu)建的過(guò)程中，我們根據(jù)結(jié)構(gòu)集合的特性進(jìn)行了一定程度的概念化，不會(huì)影響各項(xiàng)數(shù)據(jù)的觀測(cè)，具體如下圖所示：

3.2 材料參數(shù)

不同的材料對(duì)于主體機(jī)構(gòu)的受力也會(huì)產(chǎn)生不同的影響，在材料參數(shù)的選取方面，我們也嚴(yán)格按照物理力學(xué)參數(shù)的規(guī)定，使用工程地質(zhì)資料及有關(guān)的規(guī)范進(jìn)行了選取，具體的計(jì)算參數(shù)如下：

?

3.3 工況分析

施工流程的不同，也會(huì)影響到碼頭主體的受力情況，本案例中，在施工的具體流程方面，我們首先采用的是水上施打鋼板樁，第二步使用分層的方式對(duì)鋼板樁的前后進(jìn)行回填，使用現(xiàn)澆的方式制作錨碇結(jié)構(gòu)，鋼拉桿安裝，最后進(jìn)行碼頭上部結(jié)構(gòu)的澆筑。本文選取的階段為碼頭鋼板樁沉樁已經(jīng)結(jié)束，錨碇結(jié)構(gòu)尚未施工的中間階段，在這個(gè)時(shí)間段，由于回填土的作用，結(jié)構(gòu)受力正處在不穩(wěn)定階段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集的數(shù)據(jù)分析，我們將接下來(lái)的施工流程分為三個(gè)階段進(jìn)行，具體工況如下，工況1：板樁墻前后拋石階段，工況2：錨碇結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)回填，工況3：板樁墻后回填。

3.4 數(shù)值計(jì)算

在數(shù)值計(jì)算方面，本次模型試驗(yàn)選用了ANSYS 軟件對(duì)上述的三個(gè)施工階段進(jìn)行了數(shù)值模擬，然后通過(guò)后期的計(jì)算，對(duì)三個(gè)階段中鋼板樁水平位移情況和鋼板樁應(yīng)力情況分別進(jìn)行了記錄。

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 水平位移分析

在對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析的時(shí)候，我們對(duì)水平位移的最大值進(jìn)行了分析，同時(shí)也對(duì)最大位移值的變化規(guī)律進(jìn)行了探索，兩者都不是固定的，而是會(huì)隨著施工的不同階段而偏移，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在工況1 的階段，水平位移的深度和方向基本處于同一變化趨勢(shì)下，水平位移的數(shù)據(jù)變化較小，分析原因，可能是因?yàn)榘鍢秹η昂蠖歼M(jìn)行了回填拋石的施工處理，這樣前后就處于一個(gè)對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象，土壓基本相等，不會(huì)促使其發(fā)生位移；在2 階段，我們開(kāi)始進(jìn)行錨地結(jié)構(gòu)的施工，這個(gè)時(shí)候鋼板樁的位移相對(duì)比較明顯，會(huì)朝著海的方向開(kāi)始位移，樁尖處沒(méi)有發(fā)生位移的趨勢(shì)，從樁尖的位置開(kāi)始，水平位移的數(shù)值逐步增大，距離樁尖10 米的位置達(dá)到位移最大值，最大值約為10.1 毫米，然后開(kāi)始呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，樁頂?shù)乃轿灰茢?shù)據(jù)約為8.7 毫米。在3 階段，墻后土基本回填完成，這個(gè)時(shí)候鋼板樁開(kāi)始受到后土的壓力，這個(gè)時(shí)候樁頂?shù)乃轿灰茢?shù)據(jù)達(dá)到了施工階段的最大值，大約為31.9 毫米，隨著深度的不斷向下，位移的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)變小趨勢(shì)，仍然是樁尖的位置位移最小，基本不會(huì)出現(xiàn)水平位移的情況。

在1 階段，整體的受力應(yīng)該處于-17.1MPa～4.97MPa的區(qū)間內(nèi)，這個(gè)時(shí)候的受力最大值約為4.97MPa，最大受壓應(yīng)力大約為61.3MPa，最大壓應(yīng)力的發(fā)生區(qū)域，經(jīng)過(guò)檢測(cè)和計(jì)算應(yīng)該在樁尖的位置，后續(xù)應(yīng)力不斷變?。辉? 階段，整體的應(yīng)力范圍應(yīng)該處于-33.3MPa～5.39MPa的區(qū)間，最大拉應(yīng)力值約為24.7MPa，最大壓應(yīng)力約為149MPa，最小值的發(fā)生區(qū)域，最大壓應(yīng)力的變化規(guī)律和之前階段基本保持一致，最大拉應(yīng)力的位置區(qū)域隨著深度的加大而變化。在2 階段，整體的應(yīng)力范圍為-56.4MPa～23.3MPa，最大拉應(yīng)力為23.3MPa，與之前階段相比，明顯的變小，最大壓應(yīng)力則增加為216MPa，高于之前階段，最值的區(qū)域和變化規(guī)律基本和之前階段保持一致。通過(guò)分析我們可以知道，三個(gè)工段的應(yīng)力值范圍都處于鋼板樁結(jié)構(gòu)的安全可控范圍之內(nèi)。

3.5.2 結(jié)果分析

本文在對(duì)鋼板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析的時(shí)候，采用的是ANSYS 建立的三維有限元實(shí)體模型，通過(guò)接觸單元，將樁土之間的受力關(guān)系模擬了出來(lái)，然后使用生死單元技術(shù)計(jì)算出其受力過(guò)程中的具體數(shù)值，從而得出結(jié)論，在不同的工況情況下，鋼板樁水平位移的數(shù)值呈現(xiàn)不同的變化，同時(shí)，我們對(duì)回填施工過(guò)程中的水平位移情況以及受力變化規(guī)律也進(jìn)行了進(jìn)一步分析，主要結(jié)論如下：

最大水平位移的情況為第三工況階段的施工過(guò)程中，也就是在對(duì)板樁墻后進(jìn)行回填施工后，最大的位移值可以達(dá)到31.9 毫米，最大位移位置為樁頂位置，為了限制這種情況的發(fā)生，減少位移，我們?cè)谑┕み^(guò)程中需要加強(qiáng)相關(guān)方面的檢測(cè)，對(duì)于回填的速度也要進(jìn)行嚴(yán)格把控，同時(shí)，回填完成后盡快完成拉桿裝置，進(jìn)行后續(xù)的施工。鋼板樁的最大拉應(yīng)力發(fā)生在第二工況階段，最大值可以達(dá)到24.7MPa,最大壓應(yīng)力值發(fā)生在第三工況階段，最大值可以達(dá)到216MPa，對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)最大壓應(yīng)力值是大于最大拉應(yīng)力值的，但是兩個(gè)最大值都處于剛才允許的受力范圍內(nèi)，不會(huì)造成安全事故。同時(shí)我們也要看到，由于鋼板樁結(jié)構(gòu)本身工藝較為復(fù)雜，除了本身的材質(zhì)外，不同的施工方法，對(duì)結(jié)構(gòu)受力形狀也會(huì)帶來(lái)不同的影響，在本文的撰寫(xiě)中，有些情況并未寫(xiě)到，比如就沒(méi)有考慮回填土的蠕變效應(yīng)，對(duì)于土地的排水固結(jié)沉降也沒(méi)有考慮到，但是實(shí)際上這些問(wèn)題都會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)形狀造成影響，后續(xù)有機(jī)會(huì)會(huì)進(jìn)行相關(guān)研究，完善本文的觀點(diǎn)。

4 總結(jié)

鋼板結(jié)構(gòu)的受力情況會(huì)直接影響到碼頭的使用壽命，對(duì)其研究能夠有效地改善施工過(guò)程中可能發(fā)生的形變和位移現(xiàn)象，提高使用效率，避免相關(guān)安全事故的發(fā)生，研究其規(guī)律，在后續(xù)項(xiàng)目的施工中減少不必要的損耗，提高碼頭行業(yè)的整體效益。希望通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的撰寫(xiě)能夠引發(fā)相關(guān)方面的思考，當(dāng)然文末也提到了，我們?cè)谖恼伦珜?xiě)的時(shí)候考慮的因素并不是非常全面，希望能讓更多相關(guān)人員參與到相關(guān)研究中，共同為碼頭行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展而努力，助推祖國(guó)經(jīng)濟(jì)貿(mào)易實(shí)業(yè)騰飛。