钢板桩码头应力及位移监测分析

钢板桩码头应力及位移监测分析

陈朝典1，马 昭2，牛 飞3，4

（1.广州港股份有限公司，广东 广州 510100；2.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510290；

3.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；4.中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东 广州 510230）

摘 要：在工程建设期间，由于施工的影响，钢板桩码头常会处于超载状态；随着时间的推移，钢板桩码头的各个构件会不断地被腐蚀。基于钢板桩码头的这些特点，对板桩码头应力及位移进行研究具有重要意义。通过对南方某钢板桩码头应力及位移监测分析：板桩墙前开挖阶段及码头试运营阶段钢拉杆轴力增长相对较大，是钢拉杆轴力增长的主要时期；钢拉杆轴力及码头前沿水平位移均随工况的增大而增大，两者存在一定的相关性。根据钢拉杆轴力计算的拉杆弹性伸长量与对应位置码头前沿的水平位移相接近。 关键词：板桩码头；钢拉杆；应力；位移；深层水平位移

中图分类号：U661 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）07-0140-03

一、前言

根据码头的结构形式不同，可以将码头分为重力式、高桩式和板桩式。板桩式由板桩墙和锚碇设施组成，并借助板桩和锚碇设施承受地面使用荷载和墙后填土产生的侧压力。钢板桩码头结构简单，环保效果显著，造价低，施工速度快，除特别坚硬或过于软弱的地基外，均可采用，但结构整体性和耐久性较差。在工程建设期间，由于施工的影响，码头常会处于超载状态；随着时间的推移，钢板桩码头的各个构件会不断地被腐蚀。基于钢板桩码头的这些特点，对板桩码头应力及位移进行研究具有重要意义，不仅能够了解码头的应力及位移在各种工况和环境下的状态及其变化规律，还可为以后的钢板桩码头施工建设提供有效的参考数据及宝贵的经验。

影响钢板桩码头应力及位移的因素很多，温度、施工顺序、外部荷载、锈蚀程度均能对钢板桩码头的应力产生影响，在不同的工况条件下，对应力及位移产生影响的主要因素不相同。

刘振平等[1]采用ABAQUS有限元软件分析冬季和夏季极限温度条件下钢板桩码头的温度应力响应，材料的温度应变会引起钢拉杆应力和水平位移的变化。李侃等[2]运用限元软件分析钢板桩码头施工过程中板桩的桩身侧向位移、桩身土压力以及桩身弯矩的变化规律，从而了解施工过程中钢板桩的受力情况。王世明等[3]采用ANSYS有限元建立了钢板桩结构与土相互作用的数值计算模型，并进行了钢板桩在完好、锈蚀和局部破损3种情况下的有限元计算分析。汪宏等[4]研究了不同水平荷载下的钢板桩的等效应力变化曲线图以及回填土的刚度对码头安全性的影响。左明福等[5]对钢板桩码头沉降位移变化规律进行了研究分析，夏军等[6]对钢板桩结构的允许位移给出了建议值。

钢板桩码头所用的拉杆是板桩与锚锭结构之间的传力构件，是钢板桩码头抵抗水平力的关键构件。目前，拉杆内力检测主要采用的方法是动力测试法，需要把钢拉杆周围土体

收稿日期：2018-02-24

作者简介：陈朝典，广州港股份有限公司工程师。

移除，且在钢板桩码头中应用尚不成熟。本文在安装钢拉杆之初，提前在钢拉杆的端部安装传感器，通过测试传感器的受力大小，达到动态监控钢拉杆的受力状况的目的，且该方法准确、科学、简单、方便。

本文通过测试码头钢拉杆轴力、表层水平位移，研究钢板桩码头的应力及位移变化规律及其相关性。

二、工程实例

南方某码头采用单锚钢板桩结构，顶面高程+5.50m。码头前墙采用AZ36-700N和AZ40-700两种组合型钢板桩，钢板桩材质为S430GP，桩顶高程+2.00m，桩底高程-25.00~-31.00m。场区工程地质条件为：①回填砂；②淤泥（混砂）；②1淤泥质土（混砂）；③粘土～粉质黏土；③2粉细砂；⑤3黏土～粉质黏土；⑦粉细砂；⑦1中粗砂；⑩2强风化变粒岩。

该项目的钢拉杆采用型号为GLG550型钢拉杆，直径70mm，钢拉杆屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥750MPa，钢拉杆轴力标准值为1,301kN，设计值为1,757kN。

1．钢板桩码钢拉杆应力监测分析

本项目拉杆轴力监测采用智能正弦式压力传感器，在锚锭墙后回填施工之前，将传感器固定于锚定墙与螺栓之间，测试导线通过钢管引出。当钢拉杆受拉时，智能传感器将受到大小相等的压力，通过监测传感器所受到压力大小，从而掌握钢拉杆的轴力变化情况，达到持续监测钢拉杆拉力的目的。钢拉杆轴力监测智能传感器采用以下步骤进行埋设：（1）在安装钢拉杆之前，将智能正弦式压力传感器固定于锚定墙与螺栓之间，旋紧连接器，使拉杆拉力达到设计要求的初始拉力。（2）对安装好的智能正弦式压力传感器、钢垫板、螺栓进行防腐处理。（3）将测量导线穿过钢管，并将钢管固定在锚锭墙上，从而将测量导线引至地表。（4）待完成上部混凝土面层施工后，取出钢管附近的混凝土，并截取多余的钢管，将测量导线放置在保护盒内。

第7期 陈朝典等：钢板桩码头应力及位移监测分析 141

图1 钢拉杆安装 图2 智能正弦式压力 现场照片 传感器安装现场照片

图3 对智能传感器 图4 将智能传感器测量

进行防腐处理 导线引至地表

该项目共布设有4个拉杆轴力监测点，监测点位于驳船泊位南侧码头第四结构段（从西侧算起）和第三十一结构段（最东端直线段）。1#、2#、3#、4#监测点拉杆轴力-时间关系见图5~图6。

图5 1#、2#监测点拉杆轴力-时间关系曲线图

图6 3#、4#监测点拉杆轴力-时间关系曲线图 钢拉杆轴力观测汇总情况如表1所示，4个监测点所测得的拉杆轴力均小于设计提供的钢拉杆轴力标准值（1,301kN），四根钢拉杆的拉力还有足够的安全储备。通过实测的钢拉杆的最大轴力值计算钢拉杆的拉应力及弹性伸长量，四根钢拉杆的最大拉应力在90.2~153.9MPa之间，均处于弹性变形阶段，钢拉杆的弹性伸长量在17.5~29.8mm之间，钢拉杆的拉力变化会影响其弹性伸长量的变化，弹性伸长量的变化会引起钢板桩码头的往复摆动。

表1 钢拉杆轴力观测成果汇总表

编号 最大轴力值（kN） 测量时间 拉杆截面积 钢拉杆应力钢拉杆伸长量（mm²） （MPa） （mm） 1# 441 2016/10/31 3846.5 114.6 21.1 2# 580 2016/7/21 3846.5 150.8 27.7 3# 347 2017/3/3 3846.5 90.2 17.5 4#

592

2017/3/3

3846.5

153.9

29.8

钢拉杆轴力在各工况下的增长对比情况如表2所示。从表中可以看出，钢拉杆轴力在锚定墙前后回填阶段轴力增长占轴力增长的14%~23%；钢拉杆轴力在板桩墙前开挖阶段轴力增长占比31%~45%；钢拉杆轴力在码头试运营阶段占比32%~52%。板桩墙前开挖阶段及码头试运营阶段是钢拉杆轴力增长的主要时期。

表2 钢拉杆轴力在各工况下增长对比

编号 锚锭墙前后回填阶段 板桩墙前开挖阶段 码头试运营阶段 增加值（kN）

增比 增加值（kN）

增比 增加值（kN）

增比 1#

70 21% 104 31% 160 48% 2# 64 14% 163 35% 244 52% 3# 60 19% 140 45% 110 35% 4#

118

23%

228

45%

165

32%

2．钢板桩码头表层水平位移监测分析

沿码头前沿共布设12个表层水平位移监测点，分别位于码头长度的395、425、454、478、550、599、629、665、697、735、767、795m处，埋设于胸墙面层。1#、2#钢拉杆监测点位于码头岸线的720、735m位置处。

为研究码头前沿表层位移沿码头长度方向变化规律。对码头前沿在锚定墙前后回填、板桩墙前开挖、码头试运营等阶段的位移监测结果进行分析研究。码头前沿表层位移监测情况如表3所示，码头前沿表层水平位移沿码头长度方向分布情况如图8所示。从2014年11月3日开始，钢板桩码头胸墙逐渐向海测发生位移，随着锚锭墙前后回填、板桩墙前开挖、码头试运营的进行，钢板桩码头胸墙向海侧位移逐渐增大；码头前沿水平位移在各个阶段均呈中间大、两侧小的变化趋势，测得钢板桩码头的最大水平位移为38mm，最小水平位移为5mm，中间段（478~735m）水平位移较为接近。实测的码头前沿累计水平位移是结构挡土高度的0.07%~0.42%，均小于1%，根据夏军的研究成果，该码头的水平位移不大，处于安全可控状态。

表3 钢板桩码头表层位移监测情况统计表

位置点号

395 415 454 478 550 599 629 665 697 735 767 795 2014/11/3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2015/3/28 3 2 2 9 10 11 9 11 12 6 5 4 2015/4/15 4 3 3 19 21 24 18 26 28 15 10 7 2017/1/22

6

5

9

27

33

31

38

38

37

21

16

12

图8 码头前沿表层水平位移沿码头长度方向分布

142 中 国 水 运 第18卷 同一监测断面的钢拉杆轴力及码头前沿水平位移的变化趋势相同，两者存在一定的相关性。由于已知钢拉杆截面面积、拉杆长度、拉杆弹性模量，可根据实测的钢拉杆轴力可推算钢拉杆的弹性伸长量。计算得1#、2#拉杆最大弹性伸长量分别为21.1、27.7mm，1#、2#拉杆位置对应码头前沿的水平位移实测值为21.0、26.9mm（通过插值法计算）。根据钢拉杆轴力计算的拉杆弹性伸长量与对应位置码头前沿的水平位移相接近。当钢板桩码头结构稳定时，已知钢拉杆轴力的情况下，可根据钢拉杆轴力值估算对应位置码头前沿水平位移大小。

四、结论

（1）随着施工流程的进行，4根钢拉杆的轴力呈逐渐增长的趋势，4个监测点所测得的拉杆轴力均小于设计提供的钢拉杆轴力标准值，四根钢拉杆的拉力还有足够的安全储备。四根钢拉杆均处于弹性变形阶段，钢拉杆的拉力变化会影响其弹性伸长量的变化，弹性伸长量的变化会引起钢板桩码头的往复摆动。板桩墙前开挖阶段及码头试运营阶段钢拉杆轴力占比相对较大，是钢拉杆轴力增长的主要时期。当码头上部使用荷载发生变化时，应注意观察钢拉杆轴力变化情况。

（2）钢板桩码头胸墙逐渐向海测发生位移，码头前沿水平位移在各个阶段均呈中间大、两侧小的变化趋势，中间段的表层水平位移较为接近。钢拉杆轴力及码头前沿水平位移均随工况的增大而增大，两者存在一定的相关性。可根据钢拉杆轴力值估算对应位置码头前沿水平位移大小。

参考文献

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港工技术，2013，8：14-16.

[2] 李侃，赵利平，井阳等.钢板桩码头施工过程受力分析[J].

水运工程，2016，6：169-173.

[3] 王世明，王崇宇，林高杰.高桩码头钢板桩接岸结构锈蚀

残余承载力有限元分析[J].水道港口，2010，4：138-143. [4] 汪宏，刘彭.水平荷载作用下钢板桩码头的桩-土耦合分

析[J].港工技术，2015，12：33-37.

[5] 左明福.广州港南沙港区格形钢板桩码头位移沉降观测[J].

重庆交通学院学报，1993，12（4）：39-44.

[6] 夏军.软土地基钢板桩码头允许位移探讨[J].水运工程，

2010，11：137-140.

（上接第135页）

3．Revit模型导入Robot开展结构验算分析和配筋 Autodesk Robot是一款基于BIM技术的结构分析软件，较传统的结构分析软件的优势在于不需要二次建立空间模型，直接导入Revit模型后进行简单设置即可开展结构分析和配筋，导出节点大样模型及配筋图可反导到Revit模型中，极大降低工作量，避免人为操作失误（图5）。

图6 采用Revit导出施工图及工程量清单 四、结论

通过将BIM和Flying Scan技术引入港口工程勘察设计阶段，实现以下创新成果：（1）生成三维勘察模型为设计阶段提供真实三维设计环境；（2）建立三维可视拟建构筑物模型；

图5 模型导入Autodesk Robot的结构分析界面 4．Revit导出施工图及工程量

本项目由于其在旧结构基础上新建结构这个特殊因素，结构断面复杂，多达5个类型，如采用传统CAD制图会造成绘图工作量巨大且容易出错。采用Revit建模，完成各方面论证及分析后，可以选取任意位置、任意断面截取断面图及配筋图，并导出任意构件工程量明细表，系统自动生成，出错概率极低。设计变更过程中只需要修改模型，相关图纸及工程量清单一并修改，为精细化设计提供了技术基础。

（3）导出施工图图纸及工程量清单；（4）一处修改可同步变更模型、图纸和工程量；（5）极大地降低制图工作量，使设计阶段的精细化设计、优化设计来降低工程造价成为可能。

参考文献

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[2] 陈立楠.应用Civil3D创建三维数字化地形[J].市政技术，

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