高桩码头结构内力计算方法的探讨

1、高桩码头结构内力计算方法的探讨摘 要：高桩码头结构位移产生的桩弯矩采用嵌 固点法，由于嵌固点法对位移作用下计算的内力误差 较大，因此计算位移产生的桩弯矩不宜采用嵌固点法， 故本文提出码头结构内力计算方法，考虑了桩顶的连 接情况、桩的泥上高度、桩身柔性、桩基布置等因素。 得出以下结论：直桩与叉桩受桩顶水平变位影响不 大，但叉桩会产生轴力；桩顶刚接时产生弯矩、剪力 值大于桩顶铰接。在纵向水平力作用下，近似将所 有基桩的桩顶合成为一个水平刚度，可减小单桩承载 力，其值约为原承载力的 1/20。本文所提出的计算方 法能考虑桩顶的连接情况、 桩的泥上高度、桩身柔性、 桩基布置等因素， 可为设计确定分段长

2、度的计算方法， 同时研究温差与纵向荷载作用下结构的内力与变形计 算问题，具有很好的推广应用价值，并可为今后修订 高桩码头设计规范时补充纵向计算内容提供参考。关键词：高桩码头 纵向内力 水平荷载 直桩 叉 桩1. 引言 现行高桩码头规范没有明确规定纵向力及温差对 结构的内力影响如何计算，在设计实践中通常采用以 下两种方法：假设纵向力由专门设置的纵向叉桩承 担；采用空间有限元方法计算纵向作用。前者虽然 计算简便，但却没有考虑到大量的直桩与横向叉桩可 参与抵抗纵向水平力的作用，也没有考虑伸缩缝受力 闭合后相邻分段的共同工作，一般适合于采用简单措 施增加码头纵向水平抗力的计算。后者采用空间有限 元计算

3、纵向作用又过于复杂，实际上纵向水平力及温 差对上部结构产生的内力相对不大，无需精确计算。由于嵌固点法对水平荷载作用下计算的内力精度 较高，而对位移作用下计算的内力误差较大。因此， 本文提出结构纵向简化方法，考虑桩顶连接情况、桩 泥上高度、桩身柔性、桩基布置等因素的影响，采用 精度相对较高的 m 法计算荷载及位移产生的桩内力； 同时研究温差与纵向荷载作用下结构的内力与变形计 算问题，可做为设计确定高桩码头分段长度的计算方 法。2. 计算基本假定根据结构受力特性与结构力学基本理论，结构纵 向内力设计计算作如下假定：（1）上部结构的混凝土收缩、 气象温差伸缩将带 动桩顶产生水平变位，导致基桩产生内力

4、。考虑到码 头平台平面变形刚度远大于基桩桩顶的水平刚度，结 合结构力学基本原理，可近似认为上部结构的混凝土 收缩、气象温差伸缩在平面上的变形是不受约束的。（2）基桩的桩顶连接分为刚接和铰接两种形式。 考虑到刚接桩顶转角刚度一般远小于纵梁体系的转角 刚度，故可近似假定刚接桩顶在混凝土收缩、气象温 差伸缩及纵向荷载作用下桩顶不产生转角。（3）纵向 ?算不考虑结构的平面扭转影响。长分 段结构长宽比较大，无论混凝土收缩、气象温差伸缩、 或码头上的纵向荷载作用， 所产生的码头扭角都不大， 可以忽略平面扭转所产生的内力。（4）基桩受拉与受压的轴向刚度不变。 即叉桩在 水平力作用下结点基本不产生竖向位移，忽

5、略桩顶结 点在温差及水平力作用下产生的竖向位移。3. 桩基内力分析3.1 桩顶单位水平位移产生的桩内力先分析直桩内力，然后以直桩的成果为基础，进步分析斜桩的内力（1）直桩内力计算假定泥上高度为h，桩身抗弯刚度为EI，桩相对 刚度系数为T,桩顶水平位移为8o 当桩顶铰接时，桩顶水平刚度为：确定。（桩身 A= 0.4 81 m2 , l=0.0713m4 , E 取39GkPa ,相对刚度T=2.587m。），当桩顶水平位移为8 =10m m时，内力计算结果如下：桩顶铰接时,由（式 1）得 U=657kN/m ,由（式58）得桩顶剪力 Qt=2642*0.01=26.4kN、桩顶弯矩Mt=O ;泥

6、面剪力 Qs=26.4kN、泥面弯矩Ms=26.4*10=264kN?m ；按（式 910）得泥下弯矩M 入=292kN?m桩顶刚接时，由（式34）得屮=7. 3 0 5 mU =1 0 2 9 5 k N / m ，由（式 5 8）得桩顶剪力Qt=10295*0.01=102.9kN 、桩顶弯矩;泥面剪力：Qs=102.9k N、泥面弯矩Ms=277kN.m ;按（式910）得泥下弯矩M 入=434kN?m当桩顶铰接时，由（式 1 ）得 U=2657kN/m ，由（式 5 8）得桩顶剪力 Qt=2642 X 0.097=25.6kN，桩 顶弯矩Mt=0 ;泥面剪力Qs=25.6kN、泥面弯矩

7、 Ms=25.6kN?m ;由（式 910）得泥下最大弯矩 M 入=283kN?m当桩顶刚接时，由（式23）式得屮=7.305m, U=10295k N/ m ，由（ 3-5）（ 3-8）式得桩顶剪力 Qt=10295*0.097=99.9kN ，桩顶弯矩Mt=7.305 X 99.9=730kN?m；泥面剪力 Qs= 99.9k N、 泥面弯矩 Ms=269kN?m ;由（式 910）得泥下最大 弯矩M入=421kN?m通过以上计算示例可知，直桩与叉桩受桩顶水平 变位影响不大，但叉桩会产生轴力；桩顶刚接时产生 弯矩、剪力值大于桩顶铰接。 计算示例 3：某 码头分段有10榀排架，每榀排架有8根

8、 1000大管 桩，桩泥上长度 10m ，桩顶刚接，其它情况与上例相 同，假定排架的横向叉桩与直桩的单桩桩顶的纵向刚 度近似相等，均取 U=10295kN/ m ，在第二榀排架处 另布置有一对纵向受力叉桩，斜度为 4：1 ，桩顶轴向 刚度为 K= 4 0 0 0 0 0k N/ m ，桩顶纵向水平刚度约为 400000/4+10295=110295kN/m ，则在纵向水平力为 5000kN 作用下：码头纵向位移约为： y=5000/ (10295*8*10+110295*2 )=0.0048m纵向叉桩每根桩承受的轴力约为： N=0.0048/4*400000=480KN (如假设纵向水平力全部

9、由纵向叉桩承担，则每根桩轴力为 5000/2*4=10000kN 。）由此可知，在纵向水平力作用下，近似将所有基 桩的桩顶合成为一个水平刚度，单桩承载力约为原承 载力的 1/20 。5.总结计算步骤（1）按下式计算直桩水平刚度 U 和斜桩水平刚度V（5）将桩顶内力作为外荷载计算纵梁、 桩帽或下 横梁的内力。假设桩顶反力对纵梁产生的弯矩为 MZ ， 对桩顶为中间支座情况， 两侧纵梁弯矩取 MZ/2 ；对桩 顶为边缘支座情况，内侧纵梁弯矩取 MZ 。桩帽内力 可根据桩 ?反力由静力平衡法直接确定。 当采用无桩帽 形式、桩基沿下横梁布置时，在温差及水平荷载作用 下斜桩桩顶反力对横梁的作用可分解为竖直

10、和水平两 个方向计算。6.结论（1）本文解决了高桩码头在温差与荷载作用下的 纵向设计计算问题，所提出的计算方法能考虑桩顶的 连接情况、桩的泥上高度、桩身柔性、桩基布置等因 素，可为设计确定分段长度的计算方法。（2）直桩与叉桩受桩顶水平变位影响不大， 但叉 桩会产生轴力；桩顶刚接时产生弯矩、剪力值大于桩 顶铰接。（3）在纵向水平力作用下， 近似将所有基桩的桩 顶合成为一个水平刚度，可减小单桩承载力，其值约 为原承载力的 1/20 。（4）考虑在温差与荷载作用下高桩码头的纵向计 算方法，应用简便合理，能够满足设计精度要求，可 作为纵向温差、受力与纵向抗震的简化计算方法。所 推荐的计算公式均采用显式表示，适合采用电子表格 计算，方便设计应用。参考文献：1JTS167-1-2010 高桩码头设计与施工规范 S. 北京：人民交通出版社， 2010.2 陈明关 .高桩码头桩基稳定研究与确定桩计算长度及附加弯矩的探讨J.水运工程，2008 (3):47 53.3 中交第三航务工程勘察设计院有限公司 .离岸 高桩码头长分段技术初步研究 R. 上海：中交第三航务 工程勘察设计院有限公司，