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1、板桩码头新型结构,内容提要,一,二,三,1.板桩码头的发展历程,80年代前，建成板桩码头80座左右，其中大部分为钢筋混凝土结构，小部分为钢板桩结构。板桩断面抵抗矩较小，不能承受很大的弯矩，因此板桩码头只用于中小型码头。,80年代和90年代新建成板桩码头47座，其中21座为钢筋混凝土板桩结构，16座为钢板桩结构，10座为地下连续墙板桩结构，码头岸壁总长15793m。地下连续墙技术的发展，使得板桩码头向前迈进了一大步，板桩墙的厚度可在1m以上，1989年在京唐港建成了3.5万吨级的单锚板桩码头。,板桩码头概述,近十年来，我国板桩码头建设技术又取得新的进展，主要是在板桩码头大型化、深水化方面取得了突
2、破性的成果，相继推出了遮帘式（半遮帘式、全遮帘式）、卸荷式（整体卸荷式、分离卸荷式）等新的结构形式，使得板桩码头由主要建设中小型码头的状况发展到建设了一大批10万吨级深水码头 。,板桩码头概述,1.板桩码头的发展历程,与我国相比，国外的情况却大不相同，譬如欧洲和日本，码头大部分采用钢板桩结构。他们认为板桩结构比其他结构型式便宜且施工简单,欧洲几乎所有的码头都采用板桩结构。我国经过了60年的建港，目前水深条件和地基条件好的港址已经所剩很少了，我们现在面临的将是大量在滩涂、近岸浅滩、粉砂质海岸和淤泥质海岸建港的时代，可以预言，今后板桩码头结构在我国会应用的越来越广。,板桩码头概述,板桩码头,工作原
3、理：靠沉入地基的板桩墙和锚碇系统共同作用来维持其稳定性。,板桩码头概述,2.板桩码头的工作原理,优点：结构简单，材料用量少，造价便宜；主要构件可在预制厂预制，施工方便、速度快；对复杂地质条件适应性强；可先打板桩后挖港池，减少挖填土方量。,缺点：结构耐久性不如重力式码头，钢板桩易锈蚀；施工过程中一般不能承受较大的波浪作用，不适于在无掩护的海港中应用；需要打桩或其他沉桩设备。,板桩码头概述,3.板桩码头的优缺点,适用条件：所有板桩可沉入的地基，过去多用于中小码头。也可用于船闸闸墙、船坞坞墙、护岸和围堰等。,板桩码头概述,4.板桩码头的适用条件,5.板桩码头的常用结构形式,板桩码头概述,普通板桩墙,
4、板桩码头概述,长短板桩结合,板桩码头概述,主桩板桩结合,板桩码头概述,主桩与挡板结合,板桩码头概述,地下连续墙,板桩码头概述,卸荷式板桩码头：卸荷式板桩码头型式是通过在前墙后方设置卸荷平台群桩基础来承担承台上方土重和码头面上的荷载，以达到对码头前墙卸荷的目的。,卸荷式板桩码头,卸荷式板桩码头分类,整体卸荷式,将胸墙和卸荷平台整体连接,分离卸荷式,胸墙和卸荷平台是分开的，中间有一定间隙。,卸荷式板桩码头,整体卸荷式板桩码头是将胸墙和卸荷平台整体连接。目前国际上，特别是欧美发达国家一般采用整体式，如英国的 Limehouse 码头和德国汉堡港板桩码头，而在国内，整体卸荷式板桩码头则应用较少。,1.
5、整体卸荷式板桩码头,卸荷式板桩码头,德国汉堡港某板桩码头断面图,卸荷式板桩码头,整体卸荷式板桩码头优点,码头前板桩、斜拉桩、桩基承台、靠船桩连为一体, 共同受力, 发挥各构件的潜力, 提高结构整体的安全度。,卸荷式板桩码头,整体卸荷式板桩码头缺点,这种型式当采用钢筋混凝土承台和桩基时，不容许有较大的水平位移。 会使结构内力加大，造成结构不经济。 这种整体卸荷式码头结构属国内首次提出, 无相应的设计规范可循。 受我国施工技术限制。,卸荷式板桩码头,2.分离卸荷式板桩码头,卸荷式板桩码头,整体式当采用钢筋混凝土承台和桩基时，不容许有较大的水平位移，因为水平位移较大时，承台下的桩基会发生桩头混凝土开
6、裂，影响耐久性，而对板桩结构，锚定点位移在 20-80mm 属于正常情况，因此将前板桩与卸荷平台分离可能会是一种较好的选择即分离卸荷式地连墙板桩码头结构型式，现已成功应用在京唐港区 18#和 19#深水泊位。,卸荷式板桩码头,利用基桩支持的卸荷平台大幅度减小了作用于前墙的土压力，从而使前墙的内力大幅度小使板桩码头在建造10万t级以上的深水泊位时，前墙的断面可减小到合理的尺寸。,卸荷式板桩码头,2.1 工作机理：,减压原理图,卸荷式板桩码头,一方面，灌注桩可以依靠本身桩体强度承担桩后土体的作用力； 同时由于灌注桩是间隔布置的，当港池泥面开挖时，会在灌注桩间产生土拱作用，土拱将桩间土压力传递给灌注
7、桩，使灌注桩受力增加，从而使前板桩受力减小。使得前墙侧向受力情况明显改善，从而解决了传统板桩码头向深水化发展过程中遇到的前墙受力急剧增大的问题，不用设置过厚的桩体以及较大的入土深度就能保持码头前墙稳定并有效遏止其过大的侧向位移。 另一方面，由于卸荷平台的存在，减小了前墙在卸荷平台下方一定范围内的土压力，并使得承台上方土体自重作用于承台，并通过灌注桩传给地基土层，从而减小这部分荷载在前墙面引起的附加侧向土压力。,分离卸荷式板桩码头的优点,卸荷式板桩码头,2.2 优缺点,卸荷平台和灌注桩连接处需承受较大的弯曲应力，在水平位移较大的情况下桩顶易出现裂缝；码头构件数量众多，受力状态较为复杂：彼此呈多相
8、工作状态，如前板桩与灌注桩既是受弯又是受压构件；各构件相互联系又相互影响，如前排桩和后排桩可在一定情况下共同承担主动土压力。特别是在对该码头结构各部分进行土压力计算时，由于顶部承台卸荷作用和灌注桩遮帘作用的存在，会涉及到很多问题，包括如何综合考虑卸荷平台和灌注桩对前墙的共同作用，如何确定承台对前墙的卸荷范围和遮帘面的位置，以及整个结构如何分区域计算，每一计算区域根据自己的受力特点又应采取何种理论进行分析，以及两个计算区域在其交汇点上的计算值如何做到统一等一系列问题。,分离卸荷式板桩结构的缺点,卸荷式板桩码头,2.3 土压力计算理论：,黄求顺教授提出平行墙理论，用以计算平行墙上的侧向土压力。该理
9、论中的平行墙是指两道平行的刚性挡土墙，两道平行墙的相对位移较小，且两者间的距离设定在假定滑裂面以内。该理论分析过程如下：从平行墙下某一深处取一微分体，厚度设定为 dz，分析作用在该微分体上的力，设立并求解所得的静力平衡方程，得到竖向土应力，然后乘以侧压系数即可得到平行墙在任意深度处所受的侧向土压力,研究表明分离卸荷式板桩码头前墙土压力主要由三部分组成，一部分来自墙后土体压力；另一部分来自前排桩受压变形，从而导致桩前土体受挤压而作用在前墙上的土压力：第三部分是前排桩桩间土体透过桩间隙而作用在前墙上的土压力。卸荷拱后方的土体和前墙相对稳定，将其假定为两道平行墙，将拱内土体看作是平行墙内的填土，墙桩
10、间距和拱高合并看作两平行墙的间距，然后应用平行墙理论对卸荷拱内土体进行受力分析，求解方程得到竖向土应力，然后乘以侧压系数从而求出码头前板墙在任意深度处所受的侧向土压力,卸荷式板桩码头,2.4 计算模型：,由于 1、4 区域分别属于前墙和前排桩的海侧位移区，前方无遮挡，故偏向被动土压力分布情况，按照郎肯被动土压力计算；2 、3 区域在考虑卸荷平台作用的前提下，按照平行墙原理进行计算，这种方法已在遮帘式板桩码头相关计算中得到应用；10区、9 区分别按郎肯主、被动土压力理论计算；5、6、7、8 区域的计算需要分成两种情况考虑,卸荷式板桩码头,2.5 数值分析：,目前该新型板桩码头的设计参数主要依据土
11、工离心模型试验，然而土工离心模型试验存在一定的尺寸效应和边界效应。因此，基于原型观测的有限元数值分析法，即“原型观测 反演分析 有限元模拟 原型观测”就成为研究该新型结构工作性状的有效手段,卸荷式板桩码头,前人通过有限元分析并结合原型观测数据，有以下结论,1.结构的水平位移(1) 前地下连续墙整体向海侧变位，随着高程的降低，水平位移逐步减小，墙体底部趋于零。(2) 遮帘桩限制了岩土体的水平位移，受岩土体发生侧移作用影响，遮帘桩陆侧与海侧位移不连续。桩体海侧上部受拉，陆侧下部受拉，遮帘桩减小了土体对前墙的侧向作用。(3) 锚碇墙整体向海侧发生水平位移，其最大水平位移在锚碇点处，随着高程的降低，水
12、平位移逐步减小，墙体底部趋于零。,2.土压力土压力随土层深度增加而增大，卸荷承台及遮帘桩有效地减小了土层对前墙的侧向压力作用。原型观测和有限元分别得到的土压力值均随深度增大而增大，整体呈线性变化,卸荷式板桩码头,3.结构内力(1)前墙弯矩通过有限元计算值与原型观测值对比，从拉压区分布形式来看，墙体海侧上部受拉，陆侧下部受拉，与原型观测得出的弯矩分布图所对应的应力分布规律一致。分离卸荷式板桩码头能够有效地减小前墙的弯矩(2)遮帘桩及锚碇墙应力分布桩体海侧上部受拉，陆侧结构下部受拉，与原型观测得出的弯矩分布图所对应的应力分布规律吻合。与灌注桩水平位移结合分析，桩体水平位移受各土层土体发生侧移作用影
13、响，应力分布不均匀，说明灌注桩对土体的侧向作用减小了,卸荷式板桩码头,分离卸荷式板桩码头作为一种全新的码头结构型式，对于它的结构尺寸和结构型式研究得还不深入和全面，还需做进一步的分析研究工作。可利用 ANSYS WorkBench 建立有限元模型，分别从灌注桩桩间距、卸荷平台宽度两个角度对该结构的尺寸进行优化分析，研究相关参数对码头前墙受力以及位移的影响，得出合理的优化结果 。,卸荷式板桩码头,当前, 板桩码头面临的困难在于板桩断面难以满足深水码头的大弯矩要求。 针对此情况, 国内推出2 种解决方案, 分别为半遮帘式板桩码头和全遮帘式板桩码头。,遮帘式板桩码头,1.半遮帘式板桩码头,在京唐港一
14、原有20 000 t级地连墙板桩码头升级改造为50 000 t级码头的工程中，应用了半遮帘的形式。对于板桩码头加深改造工程, 之所以采用半遮帘式板桩结构, 原因如下：,此结构可避免拆除已建码头面层以上的构筑物, 从而最大限度地节省投资和缩短工期及减少对生产的影响; 其次是此方案使码头在加深时, 码头前沿线不必向前推移, 避免了由于码头加深而占用港池水域。,遮帘式板桩码头,设置嵌固于地基的遮帘结构，利用遮帘桩对土压力的遮帘作用，减小作用于前墙的土压力，使原码头结构地下连续墙前墙的内力减小,工作机理：,半遮帘桩方案,遮帘式板桩码头,在实现5 万t 级泊位改造的基础上, 京唐港成功设计了100 00
15、0 t 级深水全遮帘式板桩码头,下部结构承受的主要荷载是挡土自重产生的侧向土压力。在前板桩和锚碇墙之间设置遮帘桩。前板桩、遮帘桩和锚碇墙3者上端由钢拉杆相联系。因遮帘桩能够承受一部分陆侧土压力, 故留给前板桩的土压力大为减小, 加之钢拉杆在前板桩上端提供的约束, 使其侧向受力情况有明显改善。在深水情况下无需采用过厚的桩体及较深的入土深度以保持前板桩稳定及抑制其侧向位移量。,2.1 工作机理：,2.全遮帘式板桩码头,遮帘式板桩码头,全遮帘桩方案,遮帘式板桩码头,2.2 结构简化计算模型按照双排板桩计算基坑支护结构体系内土压力的方法, 计算前板桩与遮帘桩所受的土压力。,1. 前墙承受的荷载,遮帘式
16、板桩码头,全遮帘式板桩码头计算模型,半遮帘式板桩码头计算模型,遮帘式板桩码头,遮帘式板桩码头,2. 遮帘桩承受的荷载,遮帘式板桩码头,遮帘桩桩后半无限土体对其产生的水平作用力, 采用朗肯主动土压力计算; 同时, 遮帘桩还受到桩间水平卸荷拱传递过来的土压力, 大小为水平卸荷土拱后朗肯主动土压力和水平卸荷土拱内土压力的差值。,遮帘式板桩码头,2.3 有限元计算模型举例,边界条件：上部为自由边界，左右两侧水平约束，底部固定。,计算简图,遮帘式板桩码头,有限元模型图,遮帘式板桩码头,1. 计算参数的选取,各材料计算参数表,遮帘式板桩码头,2. 屈服准则的选用,遮帘式板桩码头,3. 模拟计算及结果,工况1，模拟正常设计水位，无遮帘桩的情况 工况2，模拟正常设计水位，加遮帘桩的情况 工况3，模拟极端低水位，加遮帘桩的情况 工况4，模拟正常高水位，加遮帘桩时情况。,各工况计算结果,遮帘式板桩码头,前后墙及遮帘桩弯矩图,遮帘式板桩码头,计算考虑了在拉杆上施加50 kN预应力，计算结果表明此部分力对结构受力影响甚微。从计算结果来看，在正常设计工况下，加遮帘桩后，前墙弯矩由2340kN/m减少至774 kN/m，减少了约70%；负弯矩由771kN/m减小至700 kN/m，减少了约10%。加遮帘桩前后，后墙的弯矩变化不大。加遮帘桩后，极大的改善了前墙受力状况，证实了遮帘桩结构的可行性。,
