劉涌國
(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海200092;2.寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 寧波 315000)
碼頭升級改造是提高靠泊能力的重要途徑,高樁碼頭升級改造常用方法主要有:碼頭前沿新增平臺;碼頭平臺前增加新結(jié)構(gòu),新舊結(jié)構(gòu)連成整體;新建嵌入式墩臺,新舊結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立;在碼頭排架中增加樁基,并與原結(jié)構(gòu)連成整體;在碼頭前沿增設(shè)靠船樁等[1]。其中新增平臺方案造價(jià)較高;采用新舊結(jié)構(gòu)連成整體,施工難度大,且受原結(jié)構(gòu)影響較大;新建嵌入式墩,拆除工作量大,造價(jià)高,適用范圍有限;采用新增靠船樁提升碼頭結(jié)構(gòu)等級,不需要對原碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改造,工程造價(jià)相對較低,施工速度快,該方案主要缺點(diǎn)是碼頭前沿線前移,減少了吊機(jī)的有效外伸距。顯然,采用新增靠船樁方案加固高樁碼頭具有較明顯的優(yōu)勢。當(dāng)前靠船樁計(jì)算方法還有待于進(jìn)一步完善,本文針對前沿增設(shè)靠船樁加固碼頭的方法,并結(jié)合工程實(shí)例做進(jìn)一步研究。
張鐵峰[2]提出靠船樁和碼頭之間有護(hù)舷的鋼管靠船樁計(jì)算方法,該方法利用m法確定嵌固點(diǎn)深度,將護(hù)舷假定為線性彈簧,利用材料力學(xué)原理,建立變形協(xié)調(diào)方程和能量守恒方程,求出撞擊力和護(hù)舷反力,從而求解出靠船樁的內(nèi)力和泥面位移等。胡立萬等[3]提出柔性防沖樁內(nèi)力計(jì)算方法,靠船樁與碼頭之間的橡膠護(hù)舷可根據(jù)剛度不同分別假定為鉸接、線性彈簧支座或非線性彈簧。已知撞擊力,假定護(hù)舷反力求出樁頂位移,再驗(yàn)證是否符合邊界條件,不符合則調(diào)整反力,迭代計(jì)算至符合邊界條件;已知撞擊能,根據(jù)能量守恒原理用迭代法求船舶的撞擊力及護(hù)舷反力,進(jìn)而用m法計(jì)算防沖樁的內(nèi)力和位移。項(xiàng)雯等[4]提出柔性靠船樁高樁碼頭在承受撞擊力的情況下,通過分析樁、護(hù)舷及樁臺的受力和變形的方法??看瑯杜c碼頭前沿護(hù)舷之間存在間隙Δ,根據(jù)靠船樁p-y(水平反力-位移)曲線,利用有限差分法求解樁頂位移,采用迭代法計(jì)算護(hù)舷壓縮量和水平力。馮建國等[5]提出碼頭平臺與靠船樁共同受力的結(jié)構(gòu)模型,在靠船樁與碼頭之間設(shè)置護(hù)舷,通過把護(hù)舷壓縮過程簡化為理想彈塑性變形、將靠泊過程分階段分別分析其受力狀態(tài);將靠船樁簡化成一端固定一端彈性支撐的梁,利用能量守恒原理,建立系統(tǒng)受力、位移和吸能的方程組,從而求得護(hù)舷變形、吸能量和樁內(nèi)力等。上述計(jì)算方法均未考慮外護(hù)舷作用,不具有普遍適用性,且模型進(jìn)行了一定的簡化,可能存在誤差,且計(jì)算方法較復(fù)雜。
柔性靠船單樁是一種較常用的靠船樁結(jié)構(gòu)形式,適用于靠舶撞擊能不大的中小型碼頭,通常采用無護(hù)舷鋼管靠船樁、外側(cè)有護(hù)舷的鋼管靠船樁、內(nèi)側(cè)有護(hù)舷的鋼管靠船樁或兩側(cè)均有護(hù)舷的鋼管靠船樁等形式。本文主要研究兩側(cè)均設(shè)有橡膠護(hù)舷的柔性靠船樁,其中外護(hù)舷抵御船舶撞擊力,并吸收一部分船舶撞擊能,一般可選擇吸能量較大的拱形或鼓形護(hù)舷等,內(nèi)護(hù)舷主要用于保護(hù)碼頭結(jié)構(gòu),并可限制靠船樁產(chǎn)生過大的位移,以保證碼頭安全,一般可選用吸能量和反力均較小的圓筒形護(hù)舷或D形護(hù)舷等。柔性靠船樁加固的原理是利用靠船樁和外護(hù)舷吸收大部分撞擊能,從而極大降低內(nèi)護(hù)舷反力,使碼頭內(nèi)力不變或降低。
1)假定外護(hù)舷達(dá)到最大設(shè)計(jì)吸能量,可充分發(fā)揮外護(hù)舷和靠船樁的作用,并便于簡化計(jì)算;2)假定鋼樁的彈性系數(shù)K為常數(shù),便于簡化計(jì)算靠船樁的吸能量;3)由于碼頭剛度遠(yuǎn)大于靠船樁剛度,故可不考慮碼頭平臺的吸能量。
1)計(jì)算船舶撞擊能,并可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整;2)初步確定外護(hù)舷吸能量,一般可按總吸能量的30%~45%考慮,根據(jù)不同的設(shè)計(jì)條件會有一定的差異;3)確定內(nèi)、外護(hù)舷規(guī)格型號,外護(hù)舷可采用拱形護(hù)舷或鼓形護(hù)舷等,吸能量和反力均較大,而內(nèi)護(hù)舷宜選用吸能量和反力均較小的D形護(hù)舷、筒形護(hù)舷等;4)建立靠船樁模型,本文采用m法或p-y法確定樁的地基彈簧系數(shù);5)建立樁頂自由的單樁計(jì)算模型,并計(jì)算樁的彈性系數(shù)K;6)施工樁頂約束,內(nèi)護(hù)舷根據(jù)護(hù)舷反力-變形曲線,采用非線性彈簧模擬,符合護(hù)舷實(shí)際受力情況;7)求解模型,得到靠船樁的內(nèi)力、位移及內(nèi)護(hù)舷變形值;8)根據(jù)各單元的變形量,求出總的吸能量。內(nèi)護(hù)舷吸能量及反力根據(jù)護(hù)舷曲線確定;9)調(diào)整參數(shù),優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計(jì)??看瑯对O(shè)計(jì)流程見圖1。
圖1 靠船樁設(shè)計(jì)流程
某碼頭工程已建1座1萬噸級泊位,碼頭結(jié)構(gòu)升級改造按???.5萬噸級散貨船設(shè)計(jì)。碼頭平臺長190 m、寬18 m,碼頭面高程5.5 m,碼頭前沿設(shè)計(jì)水深-10.9 m。碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu),排架間距9 m,每個(gè)排架設(shè)6根直徑1 000 mm預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土(PHC)樁。
碼頭結(jié)構(gòu)改造方案采用新增鋼管靠船樁結(jié)構(gòu)方案。碼頭前沿每隔一個(gè)排架設(shè)置1根直徑1 500 mm鋼管靠船樁,鋼管樁前側(cè)設(shè)拱形橡膠護(hù)舷,靠船樁與碼頭之間設(shè)圓筒形橡膠護(hù)舷。碼頭加固改造斷面見圖2。
圖2 碼頭加固改造結(jié)構(gòu)斷面(尺寸:mm;高程:m)
4.2.1氣象
該地區(qū)多年平均氣溫為16.6 ℃。多年平均風(fēng)速為4.8 m/s,各月的平均風(fēng)速變化范圍在3.7~5.5 m/s,6月最小,12和1月最大。
4.2.2水文
本海區(qū)潮汐類型為不規(guī)則半日淺海潮,基準(zhǔn)面采用1985國家高程系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)高水位為1.95 m(高潮累積頻率10%),設(shè)計(jì)低水位為-1.33 m(低潮累積頻率90%),50 a一遇極端高水位3.16 m,50 a一遇極端低水位-2.41 m。
設(shè)計(jì)流速:漲潮流速1.51 m/s,流向222°;落潮流速1.14 m/s,流向39°。
4.2.3工程地質(zhì)
地基土劃分為8個(gè)工程地質(zhì)層,分別為:①素填土;②a淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;②b粉質(zhì)黏土;③a粉質(zhì)黏土;③b含黏性土角礫;③c粉質(zhì)黏土;④黏土;⑤a含黏性土角礫。各土層參數(shù)見表1。
表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[6]第10.4.2條公式計(jì)算船舶撞擊能:
(1)
式中:E0為船舶靠岸時(shí)的有效撞擊能量(kJ);ρ為有效動能系數(shù),取0.8;vn為船舶靠岸時(shí)的法向速度(m/s),按0.15 m/s考慮;m為船舶質(zhì)量(t),采用式(2)[7]計(jì)算得4.355 8萬t。
lgm=0.404+0.932lgDWT(2)
式中:DWT為船舶總載質(zhì)量(t)。
經(jīng)計(jì)算,E0=392 kJ。
由于設(shè)計(jì)靠泊船型的升級,原碼頭承載能力難以滿足新增船型靠泊需要,擬采用碼頭前沿增加靠船樁設(shè)計(jì)方案:在碼頭前沿設(shè)直徑1 500 mm鋼管靠船樁,靠船樁前方設(shè)H500拱形橡膠護(hù)舷,靠船鋼樁與碼頭之間設(shè)外徑1 000 mm、內(nèi)徑500 mm的筒形橡膠護(hù)舷。
4.4.1軟黏土的p-y曲線
單位樁長的極限阻力pu,按式(3)(4)計(jì)算并取小值:
(3)
pu=9Cub
(4)
式中:ρ為由泥面到深度z處土的平均有效密度(t/m3);Cu為土的不排水抗剪強(qiáng)度(kPa);z為深度(m);b為樁徑或邊長(m);J為試驗(yàn)系數(shù),一般取0.5,較硬黏土取0.25。
土阻力達(dá)到極限阻力一半時(shí)的相應(yīng)變形為:
y50=2.5ε50b
(5)
式中:y50為樁周土達(dá)極限水平土抗力一半時(shí),相應(yīng)樁的側(cè)向水平變形(mm);ε50為三軸儀試驗(yàn)中達(dá)主應(yīng)力差一半時(shí)的應(yīng)變值,對飽和度較大的軟黏土,可取無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu一半時(shí)的應(yīng)變值,當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)可按表2采用。
表2 ε 50取值
對于Cu>96 kPa的黏土,宜按試樁資料繪制p-y曲線。參照圖3,按式(6)確定p-y曲線的坐標(biāo)值:
(6)
4.4.2計(jì)算參數(shù)
關(guān)于樁的入土深度,可先根據(jù)式(7)計(jì)算樁的相對剛度系數(shù)T:
(7)
式中:Ep為樁材料的彈性模量(kN/m2);Ip為樁截面的慣性矩(m4);b0為樁的換算寬度(m);m為樁側(cè)土的水平抗力系數(shù)隨深度增長的比例系數(shù)(kN/m4)。
根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8],承受水平力的單樁,入土深度宜滿足彈性樁長條件。
根據(jù)表3,②a土層的m值取2.500 MN/m4,樁徑1.5 m,壁厚25 mm。經(jīng)計(jì)算得出T=4 m,小于②a土層厚度,故按②a單層土計(jì)算合理。入土深度Lt≥4T(=16 m),因此入土深度取16 m。
表3 各土層m值
按土層m值,每隔1 m取一個(gè)計(jì)算點(diǎn),計(jì)算各點(diǎn)水平抗力系數(shù)K。
各土層計(jì)算參數(shù)取值見表4,各計(jì)算點(diǎn)p-y曲線見圖4。
表4 各土層計(jì)算參數(shù)
圖4 短期荷載的p-y曲線
關(guān)于橡膠護(hù)舷反力-位移曲線,因橡膠護(hù)舷具有高度非線性,不宜簡化成線性彈簧單元。因此根據(jù)廠家提供的護(hù)舷p-y曲線,按非線性彈簧支座進(jìn)行計(jì)算。3種筒形護(hù)舷的反力-位移曲線見圖5[9]。
圖5 3種筒形護(hù)舷的p-y曲線
4.4.3計(jì)算模型與結(jié)構(gòu)基本參數(shù)
采用Abaqus有限元分析軟件計(jì)算,模型中的靠船樁采用二維梁單元B21模擬,按薄壁鋼管計(jì)算。當(dāng)采用m法計(jì)算時(shí),土體按線性彈簧考慮;當(dāng)采用短期荷載p-y法計(jì)算時(shí),土體按非線性彈簧考慮。內(nèi)護(hù)舷按非線性彈簧單元考慮。靠船樁基本不承受豎向荷載,底部按鉸接考慮。
計(jì)算基本參數(shù)為:鋼管樁直徑1 500 mm、壁厚25 mm,外護(hù)舷采用長L=3 m的H500標(biāo)準(zhǔn)反力拱形護(hù)舷,內(nèi)護(hù)舷采用長L=1 m的外徑1 200 mm/內(nèi)徑600 mm標(biāo)準(zhǔn)反力筒形護(hù)舷。船舶撞擊能E0=392 kJ。
4.5.1基本模型計(jì)算結(jié)果
m法及短暫荷載p-y法的計(jì)算結(jié)果比較見表5。
表5 m法及短暫荷載p-y法計(jì)算結(jié)果比較
m法計(jì)算的樁體變形均位于結(jié)構(gòu)一側(cè),樁頂變形較大,而p-y法計(jì)算的樁體存在反向彎曲,故樁頂位移較小;m法計(jì)算的樁身彈性系數(shù)為1 742 kN/m,而p-y法計(jì)算的樁身彈性系數(shù)達(dá)2 833 kN/m,兩者相差較大,因而p-y法計(jì)算的鋼樁變形和吸能量均較小,內(nèi)側(cè)護(hù)舷壓縮量也相應(yīng)較小;m法和p-y法計(jì)算的彎矩相近,兩者僅相差2.35%,p-y法的結(jié)果稍大;p-y法計(jì)算的總吸能量約為m法的81%。樁身應(yīng)力及變形比較見圖6。
圖6 樁身應(yīng)力及形態(tài)
通過計(jì)算結(jié)果比較可知,m法和p-y法樁身彎矩相近;而采用m法計(jì)算,總吸能量偏大。p-y曲線考慮樁土的非線性能較好地反映靜載作用下樁土之間的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,因此建議采用p-y法進(jìn)行計(jì)算。下文僅采用p-y法進(jìn)行研究。
4.5.2靠船樁特性與優(yōu)化設(shè)計(jì)
通過調(diào)整外護(hù)舷長度、內(nèi)護(hù)舷型號、靠船樁與內(nèi)護(hù)舷間隙進(jìn)行計(jì)算,并對靠船樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
1)外護(hù)舷長度變化的影響。由表5可知,p-y法計(jì)算的靠船樁總吸能量為369.5 kJ,而船舶撞擊能為392.0 kJ,不能滿足要求。
鋼管樁與護(hù)舷的計(jì)算參數(shù)與4.4.3節(jié)一致。為方便比較,撞擊力作用點(diǎn)均保持不變。計(jì)算結(jié)果見表6和圖7。
表6 外護(hù)舷長度變化比較
圖7 樁身彎矩、吸能量與護(hù)舷長度關(guān)系
由圖7可知,樁身彎矩和靠船樁總吸能量與護(hù)舷長度基本呈線性變化趨勢,總吸能量增長快于樁身彎矩增長。護(hù)舷長度由3.0 m增加到3.5 m,吸能量增加了28%,而樁身彎矩增加了16.5%,樁身在泥面處位移變化較小。護(hù)舷長度為3.5 m時(shí),總吸能量為474.6 kJ,超過船舶撞擊能的392.0 kJ。
2)內(nèi)護(hù)舷型號變化影響。鋼管樁的計(jì)算參數(shù)與4.4.3節(jié)一致,外護(hù)舷采用L=3.5 m的H500標(biāo)準(zhǔn)反力拱形護(hù)舷,內(nèi)護(hù)舷分別采用L=1 m的外徑1 000 mm/內(nèi)徑500 mm、外徑1 200 mm/內(nèi)徑600 mm、外徑1 400 mm/內(nèi)徑700 mm標(biāo)準(zhǔn)反力筒形護(hù)舷。計(jì)算結(jié)果見表7。
表7 內(nèi)護(hù)舷型號變化比較
可以看出,采用外徑1 000 mm/內(nèi)徑500 mm與外徑1 200 mm/內(nèi)徑600 mm的內(nèi)護(hù)舷時(shí)的計(jì)算結(jié)果基本接近,從護(hù)舷反力和變形關(guān)系可以看出,兩者前段曲線基本接近;采用外徑1 400 mm/內(nèi)徑700 mm護(hù)舷,由于護(hù)舷剛度變大,護(hù)舷壓縮量較小,樁身彎矩減小,總吸能量有所降低??偽芰烤^船舶撞擊能392.0 kJ。
3)靠船樁與內(nèi)護(hù)舷間隙變化影響。由于樁位誤差或設(shè)計(jì)要求,內(nèi)護(hù)舷和靠船樁之間均可能有間隙,本文對內(nèi)護(hù)舷與靠船樁之間存在間隙的情況進(jìn)行對比。
鋼管樁的計(jì)算參數(shù)與4.4.3節(jié)一致,外護(hù)舷采用L=3.5 m的H500標(biāo)準(zhǔn)反力拱形護(hù)舷,內(nèi)護(hù)舷采用L=1 m的外徑1 000 mm/內(nèi)徑500 mm標(biāo)準(zhǔn)反力筒形護(hù)舷。護(hù)舷和樁的間距分別為0、0.2、0.4 m,對這3種情況分別進(jìn)行計(jì)算。本文采用在護(hù)舷變形反力曲線中增加一段零剛度彈簧的方法,可以準(zhǔn)確模擬該間隙,計(jì)算方法簡便,概念清晰,計(jì)算精度較高。計(jì)算結(jié)果見表8和圖8。
表8 靠船樁與內(nèi)護(hù)舷間距變化比較
圖8 樁身彎矩、吸能量與護(hù)舷間距關(guān)系
可以看出,隨著護(hù)舷與鋼管樁間距的增加,樁身彎矩呈線性增加趨勢,間距達(dá)到0.40 m以上時(shí),鋼管樁變形達(dá)到0.42 m時(shí),這時(shí)內(nèi)護(hù)舷幾乎不受力,總吸能量有所增加。間距為0.20 m時(shí)樁身內(nèi)力增加8.37%,吸能量基本不增加;間距為0.40 m時(shí)樁身內(nèi)力增加16.7%,吸能量僅增加7.38%。內(nèi)護(hù)舷反力較大時(shí)產(chǎn)生的反向彎矩,可使鋼管樁內(nèi)力大幅減少,有利于減少鋼管樁壁厚或降低鋼材強(qiáng)度等級。
根據(jù)上述比較可知,采用鋼管樁為直徑1 500 mm、壁厚25 mm、外護(hù)舷為L=3.5 m的H500標(biāo)準(zhǔn)反力拱型護(hù)舷、內(nèi)護(hù)舷為L=1 m的外徑1 000 mm/內(nèi)徑500 mm標(biāo)準(zhǔn)反力筒形護(hù)舷、內(nèi)護(hù)舷和靠船樁之間間距為0時(shí)為較優(yōu)設(shè)計(jì)方案。由圖6可知,泥面上下鋼管樁應(yīng)力較大。對受力較大的部位,鋼管樁壁厚增加至40 mm,以優(yōu)化鋼管樁設(shè)計(jì),由于靠船樁局部壁厚增加,導(dǎo)致靠船樁剛度增加,總吸能量有所降低,因此外護(hù)舷調(diào)整長度至L=4 m。
經(jīng)計(jì)算,此時(shí)的樁頂位移為0.309 m,撞擊點(diǎn)位移為0.296 m,樁身應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為278 MPa,靠船樁總吸能量為456 kJ,大于船舶撞擊能392 kJ。樁身Mises應(yīng)力值為334 MPa(經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取1.2),計(jì)算結(jié)果見圖9。
圖9 優(yōu)化后的樁身應(yīng)力及形態(tài)
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10],靠船樁選用Q420鋼,可滿足要求。
5.1.1灌樁芯混凝土
為避免由于局部屈曲而大幅降低吸能量,可在樁內(nèi)灌注低強(qiáng)度現(xiàn)澆混凝土,與其他方法相比,相對價(jià)廉。由于內(nèi)部混凝土的支撐作用,可以避免鋼管樁局部屈曲,在較大荷載作用下可以延遲塑性鉸出現(xiàn)。由于混凝土與鋼管樁無法完全結(jié)合,在計(jì)算時(shí)可以忽略混凝土斷面的抗彎能力。采用混凝土加強(qiáng)的措施須清理樁內(nèi)泥面,再澆筑混凝土,施工難度較大,工期較長。
5.1.2局部增加鋼管樁壁厚
增加鋼管樁局部壁厚施工簡單,鋼管樁剛度可增加約50%,工廠制作能夠保證施工質(zhì)量。
5.1.3焊接加強(qiáng)環(huán)
采用焊接加強(qiáng)環(huán)也是一種可行的加強(qiáng)方式,在鋼管樁本身的鋼板較厚時(shí),不宜再采用鋼板加厚措施,可采用焊接加強(qiáng)環(huán)的方式。該方法可使鋼管樁剛度增加約50%,且能保證鋼管樁質(zhì)量,施工難度不大。
5.2.1采用鋼管加強(qiáng)
在鋼管靠船樁之間用鋼管連成整體,使鋼管靠船樁之間形成一個(gè)排架,達(dá)到靠船樁之間發(fā)揮作用,較適用于小型碼頭。當(dāng)鋼管樁間距較大時(shí),需要加大連接鋼管,而且容易被船碰撞,反而成為不安全的因素。鋼管樁一般段與加強(qiáng)段截面見圖10。
圖10 鋼管樁一般段與加強(qiáng)段截面
5.2.2采用錨鏈加強(qiáng)
錨鏈加強(qiáng)的措施構(gòu)造簡單、受力明確,且能節(jié)省材料。在碼頭和靠船樁上設(shè)置錨環(huán),通過錨鏈固定,見圖11。該措施可有效控制靠船樁的側(cè)向變形,靠船樁與碼頭之間有效空間大,可保證船舶靠泊安全。
圖11 鋼管樁側(cè)向連接
1)采用非線性彈簧模擬內(nèi)護(hù)舷,樁土作用采用p-y值法計(jì)算,可以對兩側(cè)均有橡膠護(hù)舷的靠船樁進(jìn)行較精確的分析。
2)靠船樁外側(cè)護(hù)舷能吸收部分能量,減少靠船樁外力。
3)靠船樁內(nèi)側(cè)設(shè)有護(hù)舷,可減小靠船樁內(nèi)力,且對靠船樁總吸能量影響不大。
4)靠船樁與內(nèi)側(cè)護(hù)舷的間隙增加,使靠船樁內(nèi)力顯著增加,對靠船樁吸能量變化不顯著。
5)本文提出的靠船樁加強(qiáng)措施,可使靠船樁受力更合理且節(jié)省造價(jià)。
6)采用鋼管靠船樁升級改造碼頭時(shí)應(yīng)對地基適應(yīng)性進(jìn)行論證。