浅谈内河高桩框架码头结构设计理论和方法
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摘 要：本文通过分析内河高桩框架码头的结构特点、结构构件组成，阐述内河高桩框架码头的设计理论现状、结构计算方法，为同类型工程设计提供技术支撑。
关键词：内河 高桩框架码头 设计理论 方法
1.内河框架码头结构特点
高桩框架码头是高桩码头结构型式之一，一般适用于水位差较大需多层系缆的内河码头。与高桩码头其它结构型式相比，内河高桩框架码头结构有以下特点：
码头水工建筑物结构高度大。由于内河码头设计高低水位差大，水位涨落变幅大，水流流速较大等因素导致高桩码头的框架高度大。
连续、分级或浮式的系靠泊设施。由于河道水深和航行条件的限制，内河船舶尺度较小，船舶满载时干舷较低，为了满足不同水位下船舶系靠泊要求，码头结构通常需要布置多层系船柱或浮式靠泊设施。
大直径灌注桩基础。一方面由于内河码头设计高低水位差大，码头受船舶荷载等水平力作用时桩基础内力大；另一方面由于河床覆盖层较薄，持力层埋藏较浅；且受到航道桥梁通航条件的影响而大型的打桩设备不能到达等约束条件限制而无法进行预制桩施工。因此，内河码头一般采用适应性强且抗弯性能好的大直径灌注桩基础。
内河框架码头上部结构布置有横梁、纵梁外还有纵横撑，上部结构刚度大，整体性好，空间受力特性明显。
2.内河框架码头结构构件组成
高桩框架码头上部结构主要由面板、纵梁、横梁、纵横撑、立柱和靠船立柱等组成；下部结构主要由桩基组成。对于一般的内河码头，若码头配备有专门的为停靠船舶解系缆的水手时，每层系缆平台的高差可在3～5m，系船柱基本都是设置在系靠船梁上。典型结构断面如图1所示。对于实际设计中不配备船舶解系缆的水手而由船员自行解缆的码头，为了船员解系缆的安全和方便，其系缆平台高差宜控制在2～3m。
3 . 1 高桩框架码头设计理论现状
高桩框架码头结构受力具有空间特性。现行高桩码头设计与施工规范中，对于一般情况下的高桩码头按纵横两个平面进行内力计算分析，即横向排架内力计算和纵向弹性支撑或刚性支撑连续梁计算。这种简化假定的依据：①结构分段的长度比宽度大许多，一般大3～4倍，相对来说纵向平面刚度较小，各横向排架基本独立工作；②分段内各横向排架的间距和结构相同；③各横向排架的受荷条件和能力相同。④通过大量的计算及代表性工程的研究分析，认为简化计算与按空间结构计算误差不大，且大多便于安全。
但当码头纵横向刚度比较接近时，且结构受力较为复杂，结构空间特性较为显著时，无法简化计算时，桩结构内力宜按空间计算更为合理。
3 . 2 高桩框架码头结构计算方法
鉴于这些问题的存在，南京水利科学研究院的洪晓玲、柏文正等人研究编制了电算程序对高桩码头结构进行整体空间受力计算。河海大学的孙俊文、胡维俊等人则通过另一种方式在高桩码头结构计算中考虑了桩土的相互作用，即将桩在泥面处截开，分别取泥面以下桩土和上部结构组成的空间体系作为计算对象，采用杆系有限单元法进行结构计算。
易工高桩框架式码头CAD软件是上海易工工程技术服务有限公司依据《高桩码头设计与施工规范》（JTS 167-1-2010）及其他水运工程系列最新规范开发的工程辅助设计软件。该软件的计算方法为平面杆系有限元法，并在软件中实现了上部结构和下部结构一体化设计，同时可以进行结构简单的后处理设计，比如结构配筋、桩承载力分析等。
由全直桩组成的横向排架结构，河海大学（1990年）以武汉红钢城码头作为依托，进行全直桩排架模型研究试验。试验表明横向排架按具有弹性支撑的连续梁或弹性支撑的刚架计算是可行的；在水平荷载作用下，横向排架基桩中以自由长度最小的后桩受力最大，其桩身最大弯矩位于泥面以下的位置也最深；采用假想嵌固点法计算全直桩横向排架比采用m法更符合试验结果。
日本《港口设施标准・解说》（1989）[3]规定，直桩式顺岸码头桩基的水平抗力、弯矩和轴向力以及上部结构的内力，可按张（有龄）氏法的假想嵌固点法进行计算。
现行高桩码头设计规范[1]中，框架式码头一般在纵向和横向均为多层平面刚架结构，内力计算按空间模型，采用采用有限元法进行计算。全部为直桩时，由于受码头高度大，在水平力作用下，桩基需抵抗较大的弯矩，不但要求桩应具有足够的强度，桩与上部结构的连接也必须具有足够的锚固强度，一般要求桩按上下固结计算。码头按空间结构计算时，以计算桩内力为目的时，按平面问题与按空间问题进行分析，基桩内力相差不大。框架码头作为刚性桩台，在外力作用下，一般只考虑桩台整体的位移和转动，不考虑框架本身的变形，因此支撑于框架立柱的横梁可按刚性支撑连续梁计算。计算框架内力时，将横梁、靠船立柱、立柱、纵横撑等构件简化为单个杆件，并考虑各杆件的刚度，各节点均按固结处理，用空间杆系结构计算。
按空间结构计算框架码头结构，其计算过程可采用矩阵位移法、有限单元法或有限差分法，由计算机程序完成求解。有限单元法是以弹性力学为基础，用矩阵进行推演，用计算机程序作数值解算，是求解各领域数理方程的一种通用的近似方法。现有的有限元结构分析程序，如SAP2000、Midas Civil、Ansys、ABAQUS等软件是国内外都公认的通用结构有限元计算软件，把它们应用到高桩码头结构计算中，虽然模型建立和荷载指定较为复杂，但对于需要进行空间内力分析的高桩框架码头，仍是目前设计人员应掌握的计算工具。
4.结语
内河直立式框架码头结构构件较多，外荷载种类也较多，受力复杂，其不同结构构件的最不利作用效应组合也是复杂多样。要想准确的计算出桩基和框架构件的内力，首先需要需要研究采用的何种计算模型，是简化为平面杆系模型还是按三维空间模型；其次，需要研究结构构件的连接和支撑问题，是按固结还是铰接，是弹性支撑还是刚性支撑；最后，需要研究各种内力值的最不利荷载作用效应组合。在进行内河高桩框架码头结构数值分析时，以下问题需进一步深入分析。
①通过假想嵌固点法计算平面排架，这实际上是把码头的上部结构与桩基分开考虑。对于内河高桩框架码头而言，由于桩基采用大直径嵌岩灌注桩，岩层面上的覆盖层厚度大小不均，工程地质也有较大差异，按常规方法进行计算或按精确方法进行计算应根据所计算的构件和内力类型不同而异。
②无论是采用易工高桩框架式码头CAD软件还是采用通用结构有限元计算软件计算分析内河高桩框架码头，其计算原理均为有限单元法。应用有限单元法可进行框架码头横向排架计算（平面问题）或进行空间框架结构计算，在进行有限元数值分析时，如何建立码头结构计算模型，如何定义码头结构构件单元类型和各单元之间的连接属性，如何施加外荷载，如何模拟桩土的相互作用，满足工程设计精度要求，是码头结构内力计算的关键。
③传统的高桩码头平面计算方法受力明确，方法简单，在一定的历史条件下被广大设计人员所接受，但随着计算机科技的发展，发现它存在没有完全考虑整个结构体系之间力的传递和对有些型式的框架结构无法计算等；随着计算机技术的迅速发展，空间结构计算程序也越来越完善，在使用上更为方便快捷，在内河高桩框架码头结构计算中应多进行平面计算与空间计算的比较，取长补短，使框架码头结构设计更为合理。另一方面，由于平面计算方法主要是针对各排架均相近的码头结构，而对于排架内结构复杂的情况，比如排架内桩的数量不同，或结构段内存在固定吊机墩台，这时采用空间刚架有限元计算的优势明显。
参考文献：
[1]中华人民共和国行业标准.高桩码头设计与施工规范，JTS167-1-2010.
[2]王红梅、何光春.内河架空直立式框架码头的力学性能评价.吉林水利，2010（11）
[3]日本港湾协会.港口设施技术标准，1989.[4]陈万佳. 港口水工建筑物. 人民交通出版社，1997.