水平集中力在高桩框架码头排架中的分配系数研究

陈孝建

（江西省港航设计院有限公司，江西南昌 330008）

引言

在长江中下游地区内河码头设计中，由于高低水位差较大，经常采用高桩框架结构，该结构可以随着水位的升降实现船舶的多层系靠。在工程设计当中，经常按照简化平面排架结构进行计算，水运行业经常使用的易工水运工程结构CAD 集成软件中的高桩梁板结构和高桩框架式结构的计算均是采用简化的平面排架结构进行计算，由于水平撞击力和系缆力为码头主要水平受力之一，计算中考虑相对准确合理的分配系数是尤为重要的。

《码头结构设计规范（JTS 167-2018）》（以下简称规范）附录F[1]中给出了5 跨～10 跨结构段水平集中力的横向分力在高桩码头排架中的分配系数。但是在实际工作中，因为内河大水位差码头经常采用整体现浇上部结构，而规范规定[1]：上部结构为整体浇筑混凝土时，不宜大于35 m。因此进行码头结构设计时经常会遇到四跨的情况，而规范中却没有给出可供参考的数值。此外，高桩框架码头所受水平集中力作用高程的不同也会对分配系数造成影响[2]，而规范未对此做出区分。

赵冲久等研究表明[3]：运用有限元分析模型计算水平集中力在排架中的分配结果与物理试验模型进行研究的结果具有较好的吻合性，且码头面竖向荷载对水平集中力在排架中的横向分配影响很小，在进行分配系数研究时可不考虑竖向荷载，只施加水平集中力。因此，本文从工程实例出发，运用Autodesk Robot Structural Analysis Professional[4]软件对高桩框架码头进行建模计算，采用有限元分析方法研究了不同作用排架、不同作用高程和不同排架间距水平集中力的分配系数，为高桩框架码头平面排架计算分配系数选取提供参考。

1 高桩框架码头概况

内河某高桩框架码头，码头布置四层系靠船平台，桩基采用1 200 mm 钻孔灌注桩，桩长30 m 左右。码头面高程25 m，设计高水位24.67 m，设计低水位9.85 m。共5 个排架，4 跨，排架间距分别为6.4 m，7 m 和7.8 m，每个排架设置5 根Φ1 200 mm钻孔灌注桩，面板厚度40 cm（含磨耗层），平台宽度28 m。码头结构断面图和桩位图如图1 和图2所示。

图1 码头结构断面示意图

图2 桩位平面布置图

地质情况：码头工程区域除表层淤泥及淤泥质粘性土物理力学性质较差外，其它地层工程地质条件均较好。中风化泥质粉砂岩层面虽有起伏，但物理力学性质较好，厚度大，选为桩端持力层，将基础置于中风化泥质粉砂岩一定深度。

2 有限元模型建立

采用 Autodesk Robot Structural Analysis Professional 软件对结构段建立三维空间杆系板壳模型进行计算。计算桩长采用m 法进行计算，计算桩长取为20.5 m，桩底固结，材料均采用C30 钢筋混凝土，排架间距分别取为6.4 m、7 m 和7.8 m。

不考虑竖向荷载作用，施加100 kN 水平集中力来进行分配系数研究[3]。根据不同靠泊工况，分别将水平集中力作用于排架1、排架2 和排架3。每个排架又对应于5 个不同的作用高程，分别为高程24.6 m，20.5 m，17.3 m，14.0 m 和11.35 m 处。计算模型如图3 所示。

图3 有限元计算模型

3 数据分析

通过计算各排架桩嵌固点的支座反力之和与施加的100 kN 水平集中力的比值，获得了各排架的水平集中力分配系数。计算结果如下表1～3 所示。

表1 在间距6.4m 的排架中的分配系数

表2 在间距7m 的排架中的分配系数

表3 在间距7.8m 的排架中的分配系数

由上表可以得出：分配系数最大值总是位于排架1 或者水平集中力作用的排架。而且在平面排架设计中总是选择最不利排架进行设计控制，因此为了得出水平集中力在四跨高桩框架码头排架中的一般分配规律，以下对排架1 和水平集中力作用的排架做出分析。

1）表中分配系数在排架间距7.8 m、水平集中力作用于排架1 最低点时在作用排架达到最大值0.4861，该值明显小于规范附录F 中五跨的分配系数最大值，这与附录F 中随着跨数减少，水平集中力作用排架分配系数逐渐增大的趋势不符。这是由于高桩框架码头的下部框架结构发挥了较大作用，结构整体受力性能更好，使得水平集中力在作用排架中分配减小。因此并不能单纯按照规范附录F 来递推4 跨高桩框架码头水平集中力分配系数。

2）水平集中力作用于排架1 和排架2 时，分配系数在排架1 最大，这是由于水平集中力作用的非对称性，结构整体在水平集中力作用下发生扭转，导致靠近它的端排架将承受更大的水平力，与规范附录F 中非中间排架受力时分配规律一致。

3）水平集中力作用于排架3（中间排架）中上部时，结构整体受力均匀，各排架承担的水平力较为平均，这与规范附录F 中中间排架受力时的分配规律一致；但是当作用点位于排架中下部时，各排架的不均匀分配逐渐显现，随着作用点高程的降低，作用排架的分配系数逐渐增大，作用排架的分配系数最大，排架1 的分配系数最小，二者最大变幅达到37.66 %，因此规范附录F 对于水平集中力作用于高桩框架码头中间排架较低点时并不适用。

4）随着水平集中力作用高程的降低，作用排架分配系数逐渐增大。这是由于随着作用点的降低，作用点以上部分框架的作用影响逐渐降低，结构整体受力性能减弱，作用排架所分配的水平集中力增加。

5）随着排架间距的增大，水平集中力作用排架的分配系数逐渐增大。这是由于随着排架间距的增大，整个计算模型的整体性有所减弱，水平集中力传递到其他排架的部分有所减小。

4 结语

通过以上分析可以得出，对于高桩框架码头，由于框架结构可以将水平集中力更好的传递到其他排架，使得结构整体受力性能更好，在按平面排架计算需考虑水平集中力分配系数时，按照《码头结构设计规范（JTS 167-2018）》附录F 中的规律进行推算选取偏于保守，导致工程造价提高，应单独建模进行结构分析。对于高桩框架码头平面排架计算，本文给出以下几点建议供参考：

1）在进行四跨高桩框架码头平面排架计算选取水平集中力分配系数时，按照规范附录F 中的规律进行推算选取会过于保守而间接导致工程造价的提高，因此从经济合理的角度考虑，建议可参照本文的分析成果，针对具体工程单独建模分析。

2）设计中对于不同的水平集中力作用高程的系靠泊工况，分配系数的选取应该区别对待，作用高程越低，分配系数越大。

3）在五跨及以上高桩框架码头平面排架计算中，当需按规范附录F 选取水平集中力分配系数时，应同时考虑框架对于结构整体受力的有利影响和作用点高程降低的不利影响，分配系数酌情选用。