广西南宁桂航工程设计咨询有限公司
摘要：在港口工程中，板桩结构要保证在前期设计使用年限中应有较高的可靠性，而结构可靠性则需要保证设计的合理性。实际设计中，板桩结构可以通过不同设计路径，通过对比不同设计路径获得的最终结构稳定性，可以得出最佳设计方案，这样可以有效提升板桩结构的可靠性。本文基于欧洲板桩码头设计，提出三种不同的设计路径，通过采取有限元分析以及不同的分项系数探各个设计路径得出的板桩受力情况，经过对比以得出最为合理的设计路径。
关键词：板桩结构；设计路径；分项系数
引言
在海外港口工程中，板桩码头是非常常见的码头形式，为了保证板桩具有可靠性及稳定性，在板桩结构的具体设计上，必须严格按照欧洲制定的相关规范进行设计。在具体设计上，常常设计正常使用极限、承载力极限两个状态进行板桩结构设计，而正常使用极限状态主要是在设计验算过程中取分项系数作为评定标准，并且分项系数的取值通常为1.0。而不同于正常使用极限的是，在欧洲标准中给出三种不同的设计路径，不同设计路径设计出的板桩结构往往存在比较大的差异。
1.板桩结构概述
1.1板桩结构的受力特性
港口工程中，受锚碇结构锚固作用的影响，板桩墙拉杆锚碇点常常会受到约束作用，而在土压力的影响下，板桩墙常常会因为牵引力的作用而使其出现变形的情况，板桩墙变形会反过来影响到土压力的大小。同时，在相关条件不发生变化的情况下，板桩墙的土压力以及板桩弯矩会受入土深度的影响，即板桩上所作用的外力达到平衡的情况，入土的深度在最小的范围，板桩上常常只存在一个方向弯矩，同时板桩的入土段常常会出现比较大的位移情况，在这种情况下板桩会出现最大程度的变形以及板桩弯矩情况；而如果板桩的入土深度在中等程度的范围，此时弯矩以及变形就会随之下降；板桩的入土深度如果比较深，入土段的板桩常常会出现墙后弯矩的情况，板桩常常会嵌于地基中，产生固定以及弹性；如果入土的深度持续加深，墙后弯矩就会逐渐大于墙前弯矩，板桩的稳定性会逐步提升，但是墙前弯矩依旧维持相应水平，也就是弯矩效果并不明显。
板桩会在土压力的作用下出现位移变形的情况，同时沿着高度各点的水平位移常常存在比较大的差异，并且都不会达到主动土压力以及被动土压力所需位移，所以土压力常常不会出现直线分布的情况，而是呈现为曲线分布。板桩上常常存在拉杆作用，板桩的下端因为牢牢固定在地基之上，这也使得上下两端并不会出现比较大的位移情况，然而跨中位移却比较大，墙后土体在跨中位移的情况下经常会出现拱现象，这最终就会导致跨中位置的部分土压力借助滑动土条间的摩擦力作用逐渐传到上下两端的位置，这样就会导致墙后的主动土压力呈现出R字形分布的情形。
1.2 影响板桩结构可靠性的因素
板桩结构可靠性的影响因素来自各个方面，同时还具有随机性的特点，对于作用于板桩结构荷载而言，主动土压力常常会受到土的粘聚力、摩擦力以及容重等的影响，使得土压力出现一定的变化，而剩余的水压力则常常会受到水位的变化呈现不确定性的特征，在港口码头中，堆货荷载常常会受到货物堆积以及运输等的影响，板桩结构的抗力以及拉杆强度常常会发生不同的变化。板桩结构可靠性分析中，因为变量比较多也使得分析过程变得比较复杂，所以本次就对板桩结构分项进行分析，通过分项系数来判定合理的设计方案，排除掉复杂的变量，以得出更加合理的结果。
1.3板桩结构设计路径以及分项参数
在板桩结构的设计中，依照承载能力有限状态，设计规范中主要给出了三种设计路径，具体如下：第一种路径主要是作用及材料性能的分项系数法，因此总共包括了两套不同的组合。其中第一种组合反应的是土压力大小存在不确定性，但是却也承认土体的工程设计往往是比较可靠的，而第二种组合则反应出土体参数存在不确定性，对于存在永久土压力的无需放大进行分析；第二种路径主要为作用及抗力系统分项系数法，使用定值法来反求总抗力分项系数的大小，方法较为简单，使用验算点法进行求解，总抗力分布类型有较大的影响，需要按照对数做正态计算；第三种路径主要为作用及材料性能分项系数法，虽说同第一种路径看似有很大的类似点，但是该方法主要是将作用区分为结构作用及岩土作用，采用的是不同的分项系数法。对于各个设计路径的分项系数而言，可以总结为表1。
从表1中可以看出，作用于板桩上的主动土压力会产生不利的作用，在第一种路径中的第一种组合以及第二种路径中的分项系数为1.35倍，然而在第一种设计路径中的第二种组合却不会出现放大的情况。此外，在第三种设计路径中，受到地基自身重力作用的影响，分项系数会转变为1.0.
但是板桩上的被动土压力作用有利作用以及抗力，会影响到分项系数的选取，最终影响到正常承载极限状态以及承载力有限状态分项系数的最终结果。
工况1中在正常的使用极限状态下，其分项系数均为1.0，且相应的计算值均为特征值。
工况2中的被动土压力被看做是不利作用，其分享系数设定为1.0，而主动土压力则设定为1.35。
工况3中所对应的设计路径为第一种路径中的第二种组合以及第三种设计路径，因为材料参数存在较大的不确定性，因此需要除以材料分项系数1.25，相应的主动及被动土压力对应工况2。
工况4所对应的是设计路径2，被动土压力常被视做抗力除以被动土压力的1.4以及主动土压力的1.35。
工况5则将被动土压力同时视为不利作用以及抗力，被动土压力为1.04，主动土压力为1.35。
2.1 算例一
在设计过程中，需要先考虑到不同的方法所得出的埋入深度、墙体弯矩以及剪力大小情况，然后在计算出各个工况对应板桩的弯矩大小。
2.2 算例二
在计算过程中，考虑到算例一中得出5中工况所对应的弯矩，计算板桩弯矩以及板桩剪力，得出计算工况、板桩的嵌固深度以及板桩最大弯矩的具体情况。
算例一与算例二中，相同的是两种算例在实施过程中，都假定了相同的内摩擦角以及密度，其中内摩擦角的大小为30°，密度为20kN/m3，而在假定的内容中，两种算例假定了不同的支挡高度，并且在算例二中还假定了拉杆的位置距离码头的值，最终得出了不同的结果。
3.结论
不同工况算例结果显示，工况2同工况5得出的结果存在较大的相似指出，即将被动土压力看成是不利作用或者抗力进行计算，能够使得计算结构得出的嵌固深度以及板桩的弯矩最大。但是总计算整体来看，采取不同设计路径得出的结果存在较大的差异，所以相关的板桩施工过程，设计人员需要根据不同国家及地区要求，选择适当的设计路径，同时结合本地的规范选用分项系数，以保证最终板桩结构设计的合理性。
参考文献
[1]李荣庆. 港口工程板桩结构和桩基可靠度分析[D].大连理工大学，2009.
[2]李荣庆，贡金鑫，杨丽民. 板桩码头结构设计的目标可靠指标和抗力系数[J]. 水利水运工程学报，2008，（02）：71-77.
论文作者:陈传沛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/15
标签：弯矩论文; 路径论文; 系数论文; 压力论文; 分项论文; 结构论文; 工况论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;