高桩码头横梁装配应用技术

李武，朱琳

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

0 引言

高桩梁板码头结构是软土地基上主要码头结构形式之一。装配化程度较高，桩基、梁板都可采用预制或部分预制，现场拼装浇筑大节点，体积装配率在60%左右。但是近几年装配式结构快速发展，装配式高桩码头结构被重新定义，并给出了量化指标，体积装配率达75%以上，或所有构件都是预制的高桩码头结构，称为装配式高桩码头结构[1]。武汉大学的专家学者近年来深入研究装配式高桩码头结构的设计方法和计算模式[2-3]，通过深入探讨，学者发现节点是装配式设计施工的重点，节点设计合理，施工速度快，现场混凝土浇筑量小或者没有才能真正达到装配式高桩码头结构的要求。因此，装配式高桩码头结构的研究方向集中在节点研究。为此，本文结合实际工程研究高桩码头横梁与桩帽之间的装配模式，并利用数值软件分析新装配模式的受力情况[4-8]，总结归纳横梁与桩帽新装配模式的特点，为工程应用提供技术支撑。

1 工程背景

连云港港徐圩港区位于海州湾埒子口以北至小丁港之间海岸，拟建项目位于港内四港池。工程拟新建2个5 万吨级液体散货泊位。码头采用工作平台+系缆墩组合的布置方式。码头上部采用装配式结构，主要为现浇桩帽、预制装配式纵横梁、预制加现浇叠合面板的形式。高桩码头基本结构由桩身、桩帽、横梁、纵梁和面板组成，如图1 所示。

图1 码头结构几何图Fig.1 Geometry of wharf structure

2 装配模式

横梁与桩帽装配方案通过将桩帽顶部竖向布置的工字钢插入预制横梁内的预留孔实现。中、后桩帽顶部采用预制横梁，左侧阴影部分为现浇横梁部分与右侧预制横梁通过预留钢筋现浇形成整体，其布置如图2 所示。

图2 预制横梁与桩帽连接图Fig.2 Connection diagram of precast beam and pile cap

3 有限元计算参数设置

本次模拟中混凝土按C40 混凝土的力学性能参数取用，见表1。

表1 C40 混凝土压缩应力、应变参数Table 1 Compressive stress and strain parameters of C40 concrete

混凝土的泊松比取0.2，密度取2 400 kg/m3。钢筋采用三维两节点线单元来划分网格，工字钢采用两节点线性梁单元来划分网格。针对横梁装配方案，工字钢型号为32C，模型固结约束桩基底部。

4 模拟分析

4.1 荷载及分布

如图3 所示，荷载1 是码头结构附加自重，该荷载在任何荷载组合中都需考虑，荷载分项系数1.2，分布在系船柱底座后沿至码头平台后沿。荷载2 是船舶撞击力，荷载分项系数1.5，依据受载面的面积将集中力换算为等效的均布荷载施加在码头横梁侧面。荷载3 为船舶系缆力，分项系数1.4，作用在系船柱上，分解为水平荷载1 367 kN，竖向荷载367 kN。荷载4 为管架荷载，组合系数按1.4 考虑。荷载5 为集度100 kN/m 的均布荷载，分项系数1.5，分布在系船柱底座后沿至管架梁边缘。

图3 荷载布载形式图Fig.3 Diagram of load distribution form

4.2 模拟分析成果

在该分析软件中，X 轴看作1 轴，Y 轴看作2轴，Z 轴看作3 轴；那么S11 就是X 轴向的应力，正值为拉应力，负值为压应力；S22 就是Y 轴向的应力，正值为拉应力，负值为压应力；S33 就是Z 轴向的应力，正值为拉应力，负值为压应力。

1）荷载组合一：荷载1×1.2+荷载2×1.5

在荷载1+荷载2 组合作用下，横梁与桩帽接触面上的压力最大值约为7.98 MPa，出现在中桩帽最右侧边部；钢筋内的最大应力出现在后桩帽内靠港池一侧的边部，最大应力值约为175.5 MPa，右桩帽工字钢附近应力数值较高，最大应力值在59 MPa 左右，搁坎附近应力最大值在64 MPa 左右。工字钢上最大值出现在中桩帽内最右侧，数值约为8.11 MPa。

2）荷载组合二：荷载1×1.2+荷载5×1.5

荷载1+荷载5 组合作用下，结构内最大应力出现在中桩帽与横梁接合处右侧边缘，最大应力值约为25.66 MPa；靠近工字钢附近应力较高的钢筋一般的应力为100～150 MPa；工字钢内应力最大值约为8 MPa。

3）荷载组合三：荷载1×1.2+荷载3×1.4

系缆力作用点附近横梁混凝土局部有出现受拉损伤的趋势；横梁钢筋骨架内最大主应力约为136.5 MPa；桩顶工字钢的应力数值约为4.9 MPa。

4）荷载组合四：荷载1×1.2+荷载4×1.4

桩帽内钢筋的最大应力值与桩帽顶面，尤其是顶面边部的局部受压关系紧密，钢筋最大应力值出现在中桩帽顶面右侧边部，数值约为139.5 MPa。右桩帽顶面左侧边部的钢筋应力数值也较高。由于管架基础底面对横梁顶面施加了很大的力和力矩作用，在不考虑横梁顶部铺装层分散荷载作用的情况下，管架地面作用范围附近的横梁混凝土受拉损伤的范围比受压更大。管架基础底面作用范围附近的横梁内的钢筋受拉应力也较高，最大数值约为334.2 MPa。

5）现浇节点横梁与装配节点横梁对比分析

现浇节点横梁在荷载作用下应力分布比较均匀，由节点边缘沿受力方向逐步减弱传递，然而装配节点横梁在荷载作用下应力出现集中，主要由型钢结构承担，型钢结构附近出现应力集中，该部位应该采取配置加强钢筋分散应力。但是2种节点连接方式，在节点处产生弯剪扭等综合内力值基本一样，节点处弯矩和剪力大小相等。模拟结果表明2 种节点在载荷作用下整体受力性能相同。

5 结语

首次提出高桩码头横梁装配形式，并通过数值方法，结合高桩码头结构典型作业工况中提炼出的荷载模型，研究高桩码头横梁装配形式的力学性能。根据模拟分析结果得出如下结论：

1）采用桩帽上设置工字钢装配横梁的码头结构，在多种荷载组合作用下均能够满足码头结构强度和变形的验算要求。

2）在荷载组合一（考虑船舶撞击力）作用下，钢筋内的最大应力出现在后桩帽内靠港池一侧的边部，最大应力值约为175.5 MPa，是所有荷载组合中对工字钢受力最不利的一种状态，但强度满足要求且很富余。

3）荷载组合二、荷载组合三作用下，横梁结构只有在荷载作用区域内出现应力值稍高，其它区域相对较小。

4）荷载组合四（考虑管架荷载）作用下，管架基础附近混凝土局部出现少量受拉损伤变形，但考虑到实际结构中纵梁以及管架基础附近预埋钢板等构造措施对荷载的分担作用，该处不会发生破坏。

综上所述，本文提出的高桩码头横梁装配形式中，工字钢主要是水平受剪切作用，上拔作用大部分由结构自重分担。工字钢附近钢筋受力较大，设计时应考虑局部加强。