板桩码头新结构教学课件PPT.ppt

板桩码头新型结构,内容提要,一,二,三,1.板桩码头的发展历程,80年代前，建成板桩码头80座左右，其中大部分为钢筋混凝土结构，小部分为钢板桩结构。板桩断面抵抗矩较小，不能承受很大的弯矩，因此板桩码头只用于中小型码头。,80年代和90年代新建成板桩码头47座，其中21座为钢筋混凝土板桩结构，16座为钢板桩结构，10座为地下连续墙板桩结构，码头岸壁总长15793m。地下连续墙技术的发展，使得板桩码头向前迈进了一大步，板桩墙的厚度可在1m以上，1989年在京唐港建成了3.5万吨级的单锚板桩码头。,板桩码头概述,近十年来，我国板桩码头建设技术又取得新的进展，主要是在板桩码头大型化、深水化方面取得了突破性的成果，相继推出了遮帘式（半遮帘式、全遮帘式）、卸荷式（整体卸荷式、分离卸荷式）等新的结构形式，使得板桩码头由主要建设中小型码头的状况发展到建设了一大批10万吨级深水码头 。,板桩码头概述,1.板桩码头的发展历程,与我国相比，国外的情况却大不相同，譬如欧洲和日本，码头大部分采用钢板桩结构。他们认为板桩结构比其他结构型式便宜且施工简单,欧洲几乎所有的码头都采用板桩结构。我国经过了60年的建港，目前水深条件和地基条件好的港址已经所剩很少了，我们现在面临的将是大量在滩涂、近岸浅滩、粉砂质海岸和淤泥质海岸建港的时代，可以预言，今后板桩码头结构在我国会应用的越来越广。,板桩码头概述,板桩码头,工作原理：靠沉入地基的板桩墙和锚碇系统共同作用来维持其稳定性。,板桩码头概述,2.板桩码头的工作原理,优点：结构简单，材料用量少，造价便宜；主要构件可在预制厂预制，施工方便、速度快；对复杂地质条件适应性强；可先打板桩后挖港池，减少挖填土方量。,缺点：结构耐久性不如重力式码头，钢板桩易锈蚀；施工过程中一般不能承受较大的波浪作用，不适于在无掩护的海港中应用；需要打桩或其他沉桩设备。,板桩码头概述,3.板桩码头的优缺点,适用条件：所有板桩可沉入的地基，过去多用于中小码头。也可用于船闸闸墙、船坞坞墙、护岸和围堰等。,板桩码头概述,4.板桩码头的适用条件,5.板桩码头的常用结构形式,板桩码头概述,普通板桩墙,板桩码头概述,长短板桩结合,板桩码头概述,主桩板桩结合,板桩码头概述,主桩与挡板结合,板桩码头概述,地下连续墙,板桩码头概述,卸荷式板桩码头： 卸荷式板桩码头型式是通过在前墙后方设置卸荷平台群桩基础来承担承台上方土重和码头面上的荷载，以达到对码头前墙卸荷的目的。,卸荷式板桩码头,卸荷式板桩码头分类,整体卸荷式,将胸墙和卸荷平台整体连接,分离卸荷式,胸墙和卸荷平台是分开的，中间有一定间隙。,卸荷式板桩码头,整体卸荷式板桩码头是将胸墙和卸荷平台整体连接。 目前国际上，特别是欧美发达国家一般采用整体式，如英国的 limehouse 码头和德国汉堡港板桩码头，而在国内，整体卸荷式板桩码头则应用较少。,1.整体卸荷式板桩码头,卸荷式板桩码头,德国汉堡港某板桩码头断面图,卸荷式板桩码头,整体卸荷式板桩码头优点,码头前板桩、斜拉桩、桩基承台、靠船桩连为一体, 共同受力, 发挥各构件的潜力, 提高结构整体的安全度。,卸荷式板桩码头,整体卸荷式板桩码头缺点,这种型式当采用钢筋混凝土承台和桩基时，不容许有较大的水平位移。 会使结构内力加大，造成结构不经济。 这种整体卸荷式码头结构属国内首次提出, 无相应的设计规范可循。 受我国施工技术限制。,卸荷式板桩码头,2.分离卸荷式板桩码头,卸荷式板桩码头,整体式当采用钢筋混凝土承台和桩基时，不容许有较大的水平位移，因为水平位移较大时，承台下的桩基会发生桩头混凝土开裂，影响耐久性，而对板桩结构，锚定点位移在 20-80mm 属于正常情况，因此将前板桩与卸荷平台分离可能会是一种较好的选择即分离卸荷式地连墙板桩码头结构型式，现已成功应用在京唐港区 18#和 19#深水泊位。,卸荷式板桩码头,利用基桩支持的卸荷平台大幅度减小了作用于前墙的土压力，从而使前墙的内力大幅度小使板桩码头在建造10万t级以上的深水泊位时，前墙的断面可减小到合理的尺寸。,卸荷式板桩码头,2.1 工作机理：,减压原理图,卸荷式板桩码头,一方面，灌注桩可以依靠本身桩体强度承担桩后土体的作用力； 同时由于灌注桩是间隔布置的，当港池泥面开挖时，会在灌注桩间产生土拱作用，土拱将桩间土压力传递给灌注桩，使灌注桩受力增加，从而使前板桩受力减小。使得前墙侧向受力情况明显改善，从而解决了传统板桩码头向深水化发展过程中遇到的前墙受力急剧增大的问题，不用设置过厚的桩体以及较大的入土深度就能保持码头前墙稳定并有效遏止其过大的侧向位移。 另一方面，由于卸荷平台的存在，减小了前墙在卸荷平台下方一定范围内的土压力，并使得承台上方土体自重作用于承台，并通过灌注桩传给地基土层，从而减小这部分荷载在前墙面引起的附加侧向土压力。,分离卸荷式板桩码头的优点,卸荷式板桩码头,2.2 优缺点,卸荷平台和灌注桩连接处需承受较大的弯曲应力，在水平位移较大的情况下桩顶易出现裂缝； 码头构件数量众多，受力状态较为复杂：彼此呈多相工作状态，如前板桩与灌注桩既是受弯又是受压构件；各构件相互联系又相互影响，如前排桩和后排桩可在一定情况下共同承担主动土压力。特别是在对该码头结构各部分进行土压力计算时，由于顶部承台卸荷作用和灌注桩遮帘作用的存在，会涉及到很多问题，包括如何综合考虑卸荷平台和灌注桩对前墙的共同作用，如何确定承台对前墙的卸荷范围和遮帘面的位置，以及整个结构如何分区域计算，每一计算区域根据自己的受力特点又应采取何种理论进行分析，以及两个计算区域在其交汇点上的计算值如何做到统一等一系列问题。,分离卸荷式板桩结构的缺点,卸荷式板桩码头,2.3 土压力计算理论：,黄求顺教授提出平行墙理论，用以计算平行墙上的侧向土压力。该理论中的平行墙是指两道平行的刚性挡土墙，两道平行墙的相对位移较小，且两者间的距离设定在假定滑裂面以内。该理论分析过程如下：从平行墙下某一深处取一微分体，厚度设定为 dz，分析作用在该微分体上的力，设立并求解所得的静力平衡方程，得到竖向土应力，然后乘以侧压系数即可得到平行墙在任意深度处所受的侧向土压力,研究表明分离卸荷式板桩码头前墙土压力主要由三部分组成，一部分来自墙后土体压力；另一部分来自前排桩受压变形，从而导致桩前土体受挤压而作用在前墙上的土压力：第三部分是前排桩桩间土体透过桩间隙而作用在前墙上的土压力。卸荷拱后方的土体和前墙相对稳定，将其假定为两道平行墙，将拱内土体看作是平行墙内的填土，墙桩间距和拱高合并看作两平行墙的间距，然后应用平行墙理论对卸荷拱内土体进行受力分析，求解方程得到竖向土应力，然后乘以侧压系数从而求出码头前板墙在任意深度处所受的侧向土压力,卸荷式板桩码头,2.4 计算模型：,由于 1、4 区域分别属于前墙和前排桩的海侧位移区，前方无遮挡，故偏向被动土压力分布情况，按照郎肯被动土压力计算；2 、3 区域在考虑卸荷平台作用的前提下，按照平行墙原理进行计算，这种方法已在遮帘式板桩码头相关计算中得到应用；10区、9 区分别按郎肯主、被动土压力理论计算；5、6、7、8 区域的计算需要分成两种情况考虑,卸荷式板桩码头,2.5 数值分析：,目前该新型板桩码头的设计参数主要依据土工离心模型试验，然而土工离心模型试验存在一定的尺寸效应和边界效应。因此，基于原型观测的有限元数值分析法，即“原型观测 反演分析 有限元模拟 原型观测”就成为研究该新型结构工作性状的有效手段,卸荷式板桩码头,前人通过有限元分析并结合原型观测数据，有以下结论,1.结构的水平位移 (1) 前地下连续墙整体向海侧变位，随着高程的降低，水平位移逐步减小，墙体底部趋于零。 (2) 遮帘桩限制了岩土体的水平位移，受岩土体发生侧移作用影响，遮帘桩陆侧与海侧位移不连续。桩体海侧上部受拉，陆侧下部受拉，遮帘桩减小了土体对前墙的侧向作用。 (3) 锚碇墙整体向海侧发生水平位移，其最大水平位移在锚碇点处，随着高程的降低，水平位移逐步减小，墙体底部趋于零。,2.土压力 土压力随土层深度增加而增大，卸荷承台及遮帘桩有效地减小了土层对前墙的侧向压力作用。原型观测和有限元分别得到的土压力值均随深度增大而增大，整体呈线性变化,卸荷式板桩码头,3.结构内力 (1)前墙弯矩 通过有限元计算值与原型观测值对比，从拉压区分布形式来看，墙体海侧上部受拉，陆侧下部受拉，与原型观测得出的弯矩分布图所对应的应力分布规律一致。分离卸荷式板桩码头能够有效地减小前墙的弯矩 (2)遮帘桩及锚碇墙应力分布 桩体海侧上部受拉，陆侧结构下部受拉，与原型观测得出的弯矩分布图所对应的应力分布规律吻合。与灌注桩水平位移结合分析，桩体水平位移受各土层土体发生侧移作用影响，应力分布不均匀，说明灌注桩对土体的侧向作用减小了,卸荷式板桩码头,分离卸荷式板桩码头作为一种全新的码头结构型式，对于它的结构尺寸和结构型式研究得还不深入和全面，还需做进一步的分析研究工作。可利用 ansys workbench 建立有限元模型，分别从灌注桩桩间距、卸荷平台宽度两个角度对该结构的尺寸进行优化分析，研究相关参数对码头前墙受力以及位移的影响，得出合理的优化结果 。,卸荷式板桩码头,当前, 板桩码头面临的困难在于板桩断面难以满足深水码头的大弯矩要求。 针对此情况, 国内推出2 种解决方案, 分别为半遮帘式板桩码头和全遮帘式板桩码头。,遮帘式板桩码头,1.半遮帘式板桩码头,在京唐港一原有20 000 t级地连墙板桩码头升级改造为50 000 t级码头的工程中，应用了半遮帘的形式。 对于板桩码头加深改造工程, 之所以采用半遮帘式板桩结构, 原因如下：,此结构可避免拆除已建码头面层以上的构筑物, 从而最大限度地节省投资和缩短工期及减少对生产的影响; 其次是此方案使码头在加深时, 码头前沿线不必向前推移, 避免了由于码头加深而占用港池水域。,遮帘式板桩码头,设置嵌固于地基的遮帘结构，利用遮帘桩对土压力的遮帘作用，减小作用于前墙的土压力，使原码头结构地下连续墙前墙的内力减小,工作机理：,半遮帘桩方案,遮帘式板桩码头,在实现5 万t 级泊位改造的基础上, 京唐港成功设计了100 000 t 级深水全遮帘式板桩码头,下部结构承受的主要荷载是挡土自重产生的侧向土压力。在前板桩和锚碇墙之间设置遮帘桩。前板桩、遮帘桩和锚碇墙3者上端由钢拉杆相联系。 因遮帘桩能够承受一部分陆侧土压力, 故留给前板桩的土压力大为减小, 加之钢拉杆在前板桩上端提供的约束, 使其侧向受力情况有明显改善。在深水情况下无需采用过厚的桩体及较深的入土深度以保持前板桩稳定及抑制其侧向位移量。,2.1 工作机理：,2.全遮帘式板桩码头,遮帘式板桩码头,全遮帘桩方案,遮帘式板桩码头,2.2 结构简化计算模型 按照双排板桩计算基坑支护结构体系内土压力的方法, 计算前板桩与遮帘桩所受的土压力。,1. 前墙承受的荷载,遮帘式板桩码头,全遮帘式板桩码头计算模型,半遮帘式板桩码头计算模型,遮帘式板桩码头,遮帘式板桩码头,2. 遮帘桩承受的荷载,遮帘式板桩码头,遮帘桩桩后半无限土体对其产生的水平作用力, 采用朗肯主动土压力计算; 同时, 遮帘桩还受到桩间水平卸荷拱传递过来的土压力, 大小为水平卸荷土拱后朗肯主动土压力和水平卸荷土拱内土压力的差值。,遮帘式板桩码头,2.3 有限元计算模型举例,边界条件：上部为自由边界，左右两侧水平约束，底部固定。,计算简图,遮帘式板桩码头,有限元模型图,遮帘式板桩码头,1. 计算参数的选取,各材料计算参数表,遮帘式板桩码头,2. 屈服准则的选用,遮帘式板桩码头,3. 模拟计算及结果,工况1，模拟正常设计水位，无遮帘桩的情况 工况2，模拟正常设计水位，加遮帘桩的情况 工况3，模拟极端低水位，加遮帘桩的情况 工况4，模拟正常高水位，加遮帘桩时情况。,各工况计算结果,遮帘式板桩码头,前后墙及遮帘桩弯矩图,遮帘式板桩码头,计算考虑了在拉杆上施加50 kn预应力，计算结果表明此部分力对结构受力影响甚微。从计算结果来看，在正常设计工况下，加遮帘桩后，前墙弯矩由2340kn/m减少至774 kn/m，减少了约70%；负弯矩由771kn/m减小至700 kn/m，减少了约10%。加遮帘桩前后，后墙的弯矩变化不大。加遮帘桩后，极大的改善了前墙受力状况，证实了遮帘桩结构的可行性。,遮帘式板桩码头,4 工程监测,根据设计要求，码头原型观测共布置了3个断面，编号分别为#2， # 3， # 4。量测仪器，拉杆采用gookon4150型高精度应变计，弯矩测量钢筋计选用310 mpa量程。,与计算结果比较，前墙的正弯矩相差不大，负相差稍偏大，这种情况在一般工程中不大可能会出现，负弯矩不大可能比正弯矩大很多。锚锭墙计算结果与观测值一致。遮帘桩弯矩监测结果介于正常水位与高水位之间，其结果基本吻合。拉杆力计算值稍偏小，锚锭点位移计算值与监测值基本吻合。,观测结果,遮帘式板桩码头,适用：大型深水泊位, 要求地基土质软硬适中。 优点：减小了作用于前板桩上的主动土压力及桩身弯矩,改善其受状况, 减小桩长, 降低造价, 加快施工速度, 缩短工期, 易于干地施工。 有轨道装卸机械的板桩码头宜采用此结构, 因为遮帘桩的存在既起到遮帘的作用, 避免装卸机械的水平力传到前板桩, 又可做为轨道梁下的桩基, 一举两得。 缺陷：目前主要应用在京唐港等挖入式港池，在外海无掩护水域尚无应用先例。此外，现浇连续墙的混凝土密实性、抗冻性相对较差，质量不易保证，开挖后墙体不光滑需另作处理。,结论：,遮帘式板桩码头,3.t构灌注桩地连墙码头,应用于埃及塞德港集装箱码头二期工程，该工程将地连墙结构与桩基码头结构相结合，形成了桩基地连墙混合结构这一新的板桩地连墙结构形式。,该港口位于尼罗河三角洲边缘与地中海交界处，地层主要为第三纪中新世砂与黏土沉积层及第四纪上新世海洋沉积物，具有表层软弱地层厚、持力层埋深大等地质特点，被土力学界称为全世界最为复杂的问题土；码头前方航道及后方堆场形成20 m的土压力差，结构的刚度要求突出，且运营期间沉降要求严格。,新地连墙式板桩码头,码头宽35 m，为桩基地连墙混合结构，桩基排架间距7 m，典型排架由3根桩和现浇横梁组成，海侧桩和陆侧桩采用t构灌注桩，中间桩采用矩形桩，。相邻排架前后排桩间采用现浇地连墙连接，形成连续挡土面。上部结构通过现浇横梁将断面上3根桩连接成整体，再通过轨道梁和纵梁形成框架，面板采用预制+现浇的叠合结构。,t构灌注桩地连墙组合新型结构典型断面,新地连墙式板桩码头,新地连墙式板桩码头,优点： 桩基地连墙组合码头结构，是介于桩基和地连墙结构间的新型结构，与这两种传统结构相比，具有以下优点： 1）受力合理，采用大断面矩形桩，断面刚度大，竖向承载力强； 2）与板桩结构相比，桩基地连墙组合结构更适合应用在大中型码头结构中； 3）施工设备相对简单，使用的都是常规陆上设备，不需要大型专用船机。 适用： 较适用于软弱土层较厚、具有陆上施工条件的大中型码头结构。,新地连墙式板桩码头,刘进生. 卸荷式板桩码头结构在汉堡港的应用j. 港工技术, 2005, 12(4): 20-21 刘永绣. 板桩码头结构的发展和应用c. 天津市:中交第一航务工程勘察设计院有限公司, 2011. 10-17 赵辉. 京唐港区地下连续墙码头建设在引领板桩码头技术创新中的作用j. 港工技术, 2011, 6(3): 37-40 司玉军. 整体卸荷式板桩码头结构离心模型试验研究 n. 水利水运工程学报, 2009,9(3). 李静, 史宏达. 新型码头结构在我国港口工程中的应用j. 海岸工程, 2009, 28(4): 48-58 于泳. 遮帘式板桩码头方案的提出与研究j. 港工技术, 2005, 12(4): 30-32 谢耀峰, 王云球. 码头桩基负摩擦力的模型试验研究j. 建筑结构, 2005, 34(12): 29-30 刘永绣. 板桩码头向深水化发展的方案构思和实践遮帘式板桩码头新结构的开发j. 港工技术, 2005, 12(4): 12-15 刘永绣, 吴荔丹, 李元音. 一种新型码头结构型式半遮帘式深水板桩码头结构的推出j. 港工技术, 2005, 12(4): 16-19 徐光明, 蔡正银. 一种新型板桩码头结构的离心模拟j. 岩土力学, 2010, 31(4): 48-52,参考文献,11. 王维周, 刘, 华. 华电曹妃甸码头地下连续墙施工关键技术j. 水运工程, 2011, 10(10): 149-