波浪力对高桩码头结构的影响分析

波浪力对高桩码头结构的影响分析

陈晓增

身份证号码： 445202199105238316 ****

摘要：高桩码头结构的设计受波浪力的影响相对较大，为了保证码头结构的稳定性，下文结合某港口作业区码头工况特点，分析波浪力对结构产生的影响，并对结构设计难点进行分析，提出具体结构设计方案，综合考虑波浪力对于构件设计方面的影响，以供参考。

关键词：波浪力；高桩码头；结构影响

引言

高桩码头结构设计环节，波浪力属于非可控性荷载，因此在梁板构件设计过程中，可能缺乏波浪力因素的考量，导致码头结构设计不合理。所以，为了解决高桩码头结构设计环节中波浪力影响问题，需要设计人员结合工程实际需求，探索优化设计高桩构件的工作思路，应对波浪力对于梁、板、桩结构产生的影响。

一、项目概况

某码头位于大型港口的作业区中部位置，建设规模为1个20万吨级矿石泊位，码头总长度682m，宽度37m，顶部高程7m；码头前沿设计水深-20m；码头东侧设置一座长63m，宽10m的引桥。随着对码头前沿水域的边坡开挖，码头端部的波浪力可集中呈现，由于该水域的波浪较大且波浪方向较为复杂，从而影响高桩码头桩、梁、板等结构的设计。^[1]。

二、波浪力对于高桩码头的结构设计影响及设计策略分析

（一）波浪力对结构设计影响

虽然该港口已经建有防波堤，但是主航道与港池边坡之间存在夹角，导致外海波浪运动到港池边坡的时候发生折射，传播到码头端部，波浪沿着河岸出现叠加，使得交汇区产生波浪集中现象。集中区波浪使码头结构、引桥受到较大波浪力，加上护岸反射波，使得码头区域波浪高度增加，对于码头结构产生影响。

可以看出，本项目码头波浪力较大，且极为复杂，所以在结构设计过程当中，需要充分考虑波浪力对于码头的各类构件（包括梁、板、桩等）产生的影响，具体包括波浪力大小、方向以及范围，进而对桩位布置、构件内力的计算以及梁板截面配筋进行合理设计，才能应对波浪力对于工程设计产生的影响。设计水位（高）4.05m（从当地理论最低潮面起算），（低）0.62m，极端水位（高）5.61m，（低）1.22m。

（二）高桩码头结构设计方案

某货运码头采用高桩梁板结构，桩基为Φ1200mm钢管桩，排架间距7m，每个排架设置8根桩，直桩、叉桩各2对。码头上部为标准的预制安装梁板结构，桩基通过桩帽与上部横梁连接。

1.计算波浪力

波浪力对于码头钢管桩、横纵梁、面板、靠船构件以及面板都可产生影响。规范当中明确要求，对于码头桩基、码头面板之间的浮托力计算方法，然而对于码头的上部结构实际受力计算方式并没有明确要求。按照海港码头结构设计手册，结合现有模型试验，上部结构受到波浪力包括浮托、冲击以及侧压等，而按照产生的波峰位置存在差异，由于波浪产生的侧压力还可划分为两种，其一是受到波浪的正向作用对于构件产生的正面侧压，其二为受到掩护面板影响产生的侧压力。该码头某区域的构件受到波浪力的影响数据信息如下：第一，面板构件，顶部高程7.3m，受力在0.0~1.13kPa间，构件底部高程6.18m，受力在1.13~10.37kPa间，在静水位中高程5.61m，受力在1.13~16.22kPa间；第二，靠船构件，顶部高程6.18m，受力在1.13~10.37kPa间，在静水位中高程5.61m，受力在1.13~16.22kPa间，构件底部高程1.18m，受力在0.68~16.22kPa间；第三，前边梁构件，顶部高程6.18m，受力在1.13~10.37kPa间，在静水位中高程5.61m，受力在1.13~16.22kPa间，构件底部高程4.18m，受力在0.96~16.22kPa间；第四，纵梁构件，顶部高程6.18m，受力为20.75kPa，在静水位中高程5.61m，受力为32.43kPa，构件底部高程4.58m，受力为32.43kPa；第五，轨道梁构件，顶部高程6.18m，受力为20.75kPa，在静水位中高程5.61m，受力为32.43kPa，构件底部高程3.98m，受力为32.43kPa。波浪产生的冲击力击打码头面板，之后通过横梁与纵梁共同向码头桩传递^[2]。

2.分析构件内力

码头采用钢管桩作为桩基结构，连片式梁板的受力较为明确，通常利用平面排架方式对于桩基内力进行计算。本项目的第一结构段码头上方使用荷载，波浪力作用在前沿、后沿以及侧向位置，特别是侧向、后沿受力较大，并且成为码头桩基计算过程的控制性荷载，因为该结构段位置不会受到其他结构的约束，而利用平面计算方式可能与设计要求不符。所以，对码头桩基结构设计过程当中，选择有限元软件，建立整体三维模型，对于波浪力影响桩基内力情况进行模拟，分析梁、板、桩等构件的受力情况，所有构件使用固接方式，通过梁单元模拟桩、梁受力，通过板单元模拟面板受力，借助中和轴的偏置功能，将构件处于模型中位置进行模拟。桩基和弹性桩特征相符，利用假想方法计算嵌固点，并在两个结构段的结构缝位置设置边界条件，简化位移，以此实现对各结构段纵向约束的模拟。按照梁平截面理论展开分析，高桩码头如果使用梁板式结构，面板会对梁结构产生竖直向下的作用力，所以构件受力情况明确。本工程设计区受到波浪力的影响，无论是码头上部结构，还是梁结构（包括纵梁、横梁、边梁、轨道梁）都受到冲击力，方向向下，在纵向还受到波浪浮托力，水平方向受到波浪侧向力。所以对于梁内配筋的设计极为复杂。在高桩码头的设计与规范当中明确指出，横纵梁内力选择空间计算法这一方式不够成熟，故此，本项目利用多跨连续梁方式计算，针对纵向荷载工况采取规范中要求的支撑连续梁（弹性）的计算方式，针对水平荷载工况之下的受力选择支撑连续梁（固定）方式进行计算，从而获得计算结果。根据梁内受力情况，计算截面配筋，结果显示需要将标准构件侧向位置钢筋的配筋率增加。

3.设计结果

波浪力集中区通常存在恶劣的波浪条件，而且波浪产生的作用方向具有复杂性，因此，高桩码头设计应该高度注意。与此同时，处于复杂波浪条件之下，普通平面排架的计算方法对桩基内力进行计算难以适应高桩码头设计需求^[3]。因此，设计人员需要按照以往设计经验，结合设计规范，选择有限元软件，通过空间建模方式对于复杂环境进行模拟，计算桩基内力。受到波浪力影响，高桩码头结构上方的受力情况较为复杂，特别是波浪力较大情况之下，在梁配筋设计方面应该将波浪侧压考虑其中。本项目波浪侧压能够影响纵梁侧钢筋分布情况，主要原因是纵梁截面较小，导致钢筋、箍筋承载力不足。结合本工程设计结果来看，在不需要掩护工程的前提之下，高桩码头深水位受到港池开挖产生的波浪力相对较大，所以可通过钢管桩和梁结构的优化设计控制波浪力的影响^[4]。

结束语

综上分析，本项目高桩码头设计阶段，将波浪理产生的集中效应充分考虑，分析其对构件设计方面影响。针对波浪环境之下，对于不同构件采取优化设计，为同类工程积累相关经验，促进高桩码头设计工作的发展。

参考文献

[1]凌霄.高桩墩式码头结构在开敞水域的适用性[J].水运管理,2020,42(11):24-26+40.

[2]刘安成,李颖.波能集中效应对高桩码头结构设计的影响[J].港工技术,2018,55(04):42-46.

[3]郭瑾,刘燕才,成晔.波浪力对开敞式高桩码头结构的研究分析[J].中国水运(下半月),2017,17(03):183-186.

[4]黄津,于小存,陈志勇. 波浪力对高桩码头结构的影响分析[J]. 港工技术,2010,47(03):8-12.