港口工程中防撞桩的优化设计

港口工程中防撞桩的优化设计陈祥;杨艺平;李家华【摘要】Inthispaper,theresearchonthestructureofanti-collisionpilefoundationintheendofhigh-pilewharfusingFiniteElementModel(FEM)waspresented.Bythemeansof"m"method,thedeformationandinter-nalforcesofanti-collisionpilesundertheeffectofdifferentimpactpositionsanddirectionswereanalyzedsystemati-cally.Themechanicalbehaviorofdeformationandinternalforcesofanti-collisionpileswerealsocomparedwiththreedifferentarrangements.Thesimulatedresultsshowthatthedeformationandinternalforcesofanti-collisionpilesinasinglerow,exceptaxialforce,aresignificantlylargerthanthatinthetypesoftriangularorrectangularar-rangementwithdoublerow.Moreover,thedeformationandinternalforcesofanti-collisionpilesintriangularorrect-angulararrangementwithdoublerowareequivalentandthemechanicalbehaviorofanti-collisionaresimilar.Al-thoughthedeformationandinternalforcesofanti-collisionpilesinasinglerowarerelativelylarge,itisrecom-mendedtoapplylargersizeanti-collisionpilesinpracticalengineeringduetoitslessquantities,lesstypes,andlessoccupationofwaterareaintheapplications.Undertheconditionofproductionandconstructionoflarge-diame-terpiles,itismoreeconomicalandreasonabletouseanti-collisionpileswithasinglerowintheportengineeringdesign.%以高桩码头端部防撞桩结构为研究对象，建立空间有限元模型，采用"m"法对不同撞击位置、方向下防撞桩结构的变形和内力进行分析，对比分析了3种桩基布置型式的防撞桩结构变形和受力特性。计算结果表明：单排直线型布置除桩轴力外，变形及内力均明显大于双排三角型布置和矩型布置；双排三角型布置和矩型布置变形和内力相当，防撞机理相似；单排直线型布置单桩变形及内力较大，选用桩的尺寸大，数量、种类少，防撞设施所占水域面积小，且工程量小。港口工程防撞桩设计中，在具备大尺度桩生产、施工的条件下，单排直线型布置更经济合理。【期刊名称】《水道港口》【年(卷)，期】2016(037)005【总页数】5页(P542-546)【关键词】港口工程;防撞桩;桩基布置型式;优化设计;"m"法【作者】陈祥;杨艺平;李家华【作者单位】中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州510230;中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州510230;中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州I510230【正文语种】中文【中图分类】TV139.2;U651随着经济全球化的不断深化，国内外航运业得到迅速发展，水上交通量也随之显著增加，与此同时水上建构筑物也越来越多，如码头、桥墩、钻井平台、水上输电塔等，船舶与此类水上建构筑物发生相撞的事件时有发生，撞击破坏损失也不断增加。因而，水上结构防撞设计已成为其设计重点关注的问题［1-4］。寻求在船舶撞击荷载作用下防撞设施的合理结构布置方案，对工程设计具有重要的指导意义。本文以长江江苏段某高桩码头为例，对其端部防撞桩结构进行分析，重点探讨在水平船舶撞击荷载作用下防撞桩结构桩基布置型式的优化设计。为避免船舶直接撞击码头结构，工程上通常采取设置防撞设施的措施，保护码头结构安全。不同型式的防撞设施，可以防止船舶撞击力传到码头结构，或者通过缓冲消能防撞设施，延长船舶的撞击时间，减小船舶撞击力，从而达到保护码头结构的效果。目前，港口码头中使用较广泛的方式为桩式防撞设施，通过防撞桩联合变形缓冲吸能。防撞桩比较常见的布置型式有直线型、三角型和矩型三种[5],如图1。直线型布置型式钢护桩呈单排布置，钢护桩间通过联系撑连接，如图1-a;三角型布置型式呈双排布置，三根钢护桩之间通过横撑连接组成三角型钢护桩，三角型钢护桩间再通过联系撑连接，如图1-b;矩型布置型式呈双排布置，排与排间钢护桩通过横撑连接，排内钢护桩间通过联系撑连接，如图1-c。单排直线型布置主要优点是桩的数量、种类少，所占水域面积小，双排三角型和双排矩型布置的主要优点是钢护桩局部的整体性好，对防撞船型尺度适应性好。2.1“m”法[6-7]本文采用《港口工程桩基规范》(JTS167-4-2012)中的“m”法计算，“m”法的基本假定认为桩侧土为Winkler离散性弹簧，不考虑桩土之间的黏着力和摩阻力，桩作为弹性构件考虑，当桩受到水平外力作用后，桩土协调变形，假定土的抗拉强度为零，弹簧只受压而不受拉，任一深度Z处所产生的桩侧土水平抗力与该点水平位移X成正比，即式中：K为土的水平地基抗力系数，kN/m3;m为土的水平地基抗力系数随深度增长的比例系数，kN/m4;z为计算点的深度m。桩的换算宽度按《港口工程桩基规范》(JTS167-4-2012)中规定换算式中：d为桩径或垂直于水平外力作用方向的宽度，m;b0为桩的换算宽度，m,b0<2d;kf为桩形状换算系数，圆桩或管桩取0.9，方桩或矩型桩取1.0m。土弹簧弹性系数k由下式确定式中：a为各土层厚度或桩单元长度，m；b0为桩的换算宽度，m；K为土的水平地基抗力系数，kN/m3。2.2计算模型2.2.1工程概况本文中计算模型采用长江江苏段某100000DWT通用泊位端部防撞桩结构。建设初期泊位端部未设置防撞桩结构，因发展规划需要，在该通用泊位上游紧邻布置1000DWT内港池泊位，实施过程中，内港池船舶撞击码头结构事件时有发生，对该码头的安全运营构成了一定影响，在此前提下，在码头端部加设了桩式防撞设施。本防撞桩结构钢护桩长度38.0m，桩顶标高5.8m(85国家高程基准面)，桩底标高-32.2m，泥面标高-16.5m，设计高水位4.8m。防撞结构横断面图如图2所示。2.2.2有限元模型建立计算参数。本文以端部防撞桩结构为研究对象，采用空间计算模型，利用大型通用有限元软件ANSYS，模拟船舶撞击作用下的结构响应［8］。钢护桩采用Q345钢，联系撑、横撑采用Q235钢，计算中钢结构采用弹性本构模型，Q345钢和Q235钢质量密度为7800kg/m3，弹性模量为2.05x108kPa,泊松比为0.3。计算单元及边界条件。防撞桩结构钢护桩、联系撑及横撑采用梁单元beam189模拟，钢护桩与联系撑及横撑固结，桩端按弹性嵌固点法考虑，土对桩的垂直约束由桩轴向的弹簧单元combin14模拟，弹性长桩的受弯嵌固点深度用"m”法计算，m值见表1。有限元模型。模型的整体坐标为笛卡尔坐标，原点取在防撞桩设施前排江侧第一根钢护桩桩轴线高程为零处，X轴平行于联系撑，指向岸侧，Y轴沿钢护桩轴线方向向上，Z轴垂直于防撞桩结构。防撞桩结构模型采用映射网格划分技术，梁单元beam189网格单元尺寸取0.5m，划分网格后，直线型结构模型单元总数为1358，节点总数为1956，其中梁单元数602，弹簧单元数756，三维有限元模型如图3。三角型和矩型结构有限元建模过程同直线型结构模型。有限元模型建立过程中，对比分析了网格单元尺寸分别取0.1m、0.5m、1m，在同等荷载条件下的计算结果，结果显示网格尺寸为0.1m和0.5m时，结果基本一致，取1m时，结果略有差异，结合计算精度和成本两方面考虑，本模型梁单元网格尺寸取0.5m是合适的。2.3计算结果分析本文以直线型、三角型、矩型三种布置型式的防撞桩结构为研究对象，对船舶沿不同撞击点、方向下撞击防撞桩结构的位移及内力进行分析。2.3.1沿纵向受力分析以横向（沿Z轴正向）撞击为例，在不同撞击点下三种结构布置型式位移、内力见表2。从表2可以看出，在同等撞击力作用下，三种防撞桩结构布置型式中，除桩轴力外，直线型布置型式位移、内力值均较其他布置型式大；三种防撞桩结构布置型式，撞击点位置由端部往中部变化，作用于端部位置时，结构的位移、内力均最大，其中位移、桩扭矩、弯矩随撞击点位置由端部向中部变化呈现出明显的减小趋势。防撞桩结构中撞击点附近钢护桩为变形及受力较不利位置。2.3.2结构变形及内力分析由上节计算，防撞桩变形及内力的最大值由端部向中部递减，本节以此为基础，选取最不利的端部钢护桩为船舶撞击点，考虑沿45°、90°、135°三个方向下撞击，分析防撞桩结构的位移及内力响应，见表3~表4。从表3~表4可以看出，防撞设施在受力作用下，直线型布置方案位移值明显大于三角型布置和矩型布置方案，其中三角型布置方案位移值略大于矩型布置方案。防撞设施中钢护桩桩轴力值直线型布置最小，三角型布置方案最大，矩型布置方案居中；桩扭矩值直线型布置方案较大，矩型布置方案较小，三角型布置方案略大于矩型布置方案；桩弯矩值直线型布置方案较大，矩型布置方案较小，三角型布置方案略大于矩型布置方案；桩剪力值三种布置方案相当，直线型布置方案略大。防撞设施中联系撑起连接左右钢护桩的作用，直线型布置方案桩扭矩值、弯矩值、剪力值均大于三角型布置和矩型布置方案；桩轴力值随撞击方向的不同而变化，当撞击方向为90°，直线型布置方案桩轴力值较小。防撞设施中横撑起连接前后钢护桩的作用，直线型布置方案中不需要横撑，三角型布置和矩型布置方案下结构内力相似。以上计算结果表明，三种结构布置型式中，直线型布置方案除桩轴力外，变形及内力均明显大于三角型布置和矩型布置方案；三角型布置和矩型布置方案，变形和内力相当，矩型布置方案变形略小于三角型布置方案。根据以上分析，直线型布置方案变形和内力均大于三角型布置型式和矩型布置型式，但该方案桩的数量、种类及防撞设施所占水域面积均小于其他方案。为便于各方案的比选，本文进一步对三方案的经济性做了分析，计算结果见表5。注：本工程量表仅列出防撞桩结构主要设施的材料工程量。从表5可以看出，直线型布置方案总用钢量、桩的种类和数量均少于三角型布置和矩型布置方案；三角型布置方案和矩型布置方案总用钢量、桩的种类和数量相当，三角型布置方案较矩型布置方案略少。由此，从工程量、运输、施工安装等方面综合考虑，直线型布置方案更经济合理。本文以长江江苏段某100000DWT通用泊位端部防撞桩结构为研究对象，应用ANSYS有限元分析软件，针对该通用泊位上游紧邻布置的1000DWT内港池泊位，进行码头结构的防撞设施结构设计。通过计算比较对不同撞击位置、方向下防撞桩结构的变形和内力进行分析，对比分析了单排直线型和双排三角型、矩型3种桩基布置型式的防撞桩变形、受力特性，得出以下几点结论可供防撞桩结构设计时参考。(1)在不同撞击位置、方向下，单排直线型布置方案除桩轴力外，变形及内力均明显大于双排三角型布置和矩型布置方案，因此，在防撞桩结构设计中需针对不同的布置型式，确定选用不同尺寸、型号的桩基；(2)双排三角型布置和矩型布置方案变形和内力相当，矩型布置方案变形略小于三角型布置方案，两方案均是通过横撑连接前后钢护桩、联系撑连接左右钢护桩，结构防撞机理相似；(3)单排直线型布置方案和双排三角型布置、矩型布置方案在均满足相同防撞要求的前提下，单排直线型布置方案虽单桩变形及内力较大，但该方案桩的尺寸大，数量、种类少，防撞设施所占水域面积小，且工程量小，因此，在具备大尺度防撞桩生产、施工的条件下，单排直线型布置方案更经济合理。【相关文献】[1]郭杰锋.高桩基础防撞试验及防撞设计新方法研究[D].杭州：浙江大学，2010.岳磊，邓海，黄翔.钢管桩式桥墩防撞设施研究[J].国外卜建材科技，2008,29(3):99-101.YUEL,DENGH,HUANG/.Performanceevaluationofcollision-avoidancesystemconstructedwithsteel-pipepiles[J].ScienceandTechnologyofOverseasBuildingMaterials,2008,29(3):99-101.邱铮.固定式防撞装置在某大桥的应用[J].山西建筑，2014,40(8):219-220.QIU乙Onapplicationoffixedanti-collisiondeviceinsomebridge[J].ShanxiArchitecture,2014,40(8):2