莊 寧，高華喜

（浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022）

對全直樁高樁碼頭結構破壞的預先危險性分析

莊 寧，高華喜

（浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022）

高樁碼頭是浙江沿海地區(qū)主要的碼頭建筑物形式，對于沿海掩護較好，波浪力及撞擊力較小的碼頭，一般采用全直樁的形式進行設計施工。本文從工程實例入手，運用系統(tǒng)安全原理和有限元分析方法，對一個不規(guī)則碼頭平臺的結構破壞作出預先危險性分析。最后得出結論：根據設計要求，碼頭結構在設計荷載作用下沒有達到屈服，符合使用安全規(guī)范；碼頭的應力集中在樁柱與平臺結合部，應適當增加保護措施；碼頭結構的危險性等級定級為Ⅳ級，碼頭整體系統(tǒng)處于安全的使用狀態(tài)。

高樁碼頭；結構破壞；預先危險性分析

高樁碼頭是浙江沿海主要的碼頭形式，一般形式為高樁梁板式碼頭、高樁墩式碼頭等。為抵消整體受到的水平力，碼頭往往在樁基中布置叉樁。目前，在深水外海和沿海有掩護的小型碼頭也有采用全直樁的樁基布置形式，并且在樁帽下部安插水平撐以支撐水平方向的作用力。對全直樁高樁碼頭的結構形式，已經有學者做出了相應的研究。王元戰(zhàn)等[1-3]對深水全直樁高樁碼頭做出了承載力性能研究，提出了在自振頻率與波浪周期等要素相近并產生結構動力響應的情況下，碼頭結構的動力簡化計算方法以及對水平承載力的簡化計算方法。賀林林等[4]從樁群的角度進行分析，對結構樁群的工作性狀進行了研究。以上研究可以對本文的結構做一些參考，但是不規(guī)則碼頭平臺和現(xiàn)澆結構有其特殊性，不同于上述，在承載力和破壞形式上存在很大的不同。

預先危險分析（PHA，preliminary hazard analysis）[5]，是指在產品或系統(tǒng)開發(fā)初期，對危險類別、危險產生條件、事故后果的定性分析。在碼頭工程中。以系統(tǒng)的思想對碼頭在設計階段進行預先危險性分析是非常有必要的，可以對碼頭的整體結構性能作出初步的判斷，以便在設計中對方案進行改進。

1 工程概況

舟山地區(qū)某石渣出運碼頭采用高樁現(xiàn)澆結構進行碼頭設計，采用樁基與碼頭平面直接澆筑的方法進行碼頭施工。

1.1碼頭構件情況

本工程建筑面積為340.1 m2樁基采用14根Φ 800 mm鉆孔灌注樁，樁長均為50 m，樁底嵌入巖層，為嵌巖樁。碼頭平臺采用C40混凝土澆筑，主要受力鋼筋均為三級熱壓帶肋鋼筋。靠船側采用橡膠護舷對船舶撞擊力進行消能。具體碼頭平臺樁位布置情況及碼頭平臺的具體尺寸如圖1。

1.2 碼頭荷載情況

圖1 碼頭平臺樁位布置圖Fig.1 Layout of pile site of wharf platform

根據《港口工程荷載規(guī)范》[6]施加碼頭整體的自重力、碼頭平面的堆貨荷載以及船舶在撞擊時的撞擊力，整個碼頭平面施加均布堆貨荷載，荷載大小取60 kN/m2。重力加速度采用9.8 m/s2。船舶靠岸時的撞擊力為78.9 kN，均勻分布于平臺靠船側的平面上。

1.3 各項工程參數(shù)一覽

碼頭構件的材料系數(shù)詳見表1，碼頭設計時的水文條件詳見表2。

表1 碼頭構件材料參數(shù)表Tab.1 Material parameter list of wharf's component

表2 碼頭設計水文條件表Tab.2 Hydrologic condition list for wharf design

2 預先危險性分析方法

預先危險性分析的功能是預防危險事件的發(fā)生。在港口工程的設計過程中，預先危險性分析主要是對結構的穩(wěn)定性及破壞性狀進行分析，對碼頭結構在設計荷載下的變形和應力進行分析。根據危險后果嚴重性等級表，對結構危險性進行分析。預先危險性過程是在對碼頭結構進行有限元分析之后，根據碼頭結構表現(xiàn)對碼頭整體結構穩(wěn)定性作出評估，列出對碼頭結構損壞這一事件的預先危險性分析表，最終得出結論即碼頭的設計荷載是否會對碼頭結構產生破壞。對危險事件的嚴重性等級劃分詳見表3。

表3 危險后果嚴重性等級表Tab.3 Hazard severity scale

3 數(shù)值分析模型的建立

本文應用大型有限元分析軟件ANSYS對碼頭結構進行模擬，模型主要分為兩個部分，即碼頭平臺部分和樁基部分，碼頭平臺采用SOLID65單元對鋼筋混凝土進行整體模擬，平臺混凝土部分選取W-W破壞準則，平臺鋼筋部分選取雙線性模型（BISO）作為其屈服準則。樁基部分采用SOLID65單元進行建模。模型整體用掃略的方式對全局進行網格劃分。模型的樁基表面和底面采用全約束，其余均為自由表面。模型的碼頭平臺上表面施加堆貨荷載和車輛荷載，大小為67.7 kN/m2，碼頭前沿兩個靠船面施加船舶樁基荷載，大小為8.21 kN/m2。具體模型網格劃分情況和荷載施加詳見圖2。

圖2 模型網格劃分與荷載施加圖Fig.2 Model mesh generation and load rendering

4 有限元結果分析

4.1 碼頭平臺變形分析

碼頭平臺總變形云圖如圖3所示，碼頭平臺Z方向變形云圖如圖4所示，從圖中可知，碼頭平臺的最大變形部位位于碼頭右側中部的部位，最大變形0.556 mm。各樁位處的位移幾乎為零，這是由于碼頭平臺的作用力通過樁基向下傳遞，左側平臺的變形明顯小于右側平臺，這是由于左側樁柱的密度大于右側樁柱而產生的群樁效應，使得樁柱共同承受各向荷載，結構變形較小。通過比較碼頭平臺總變形云圖和Z方向變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，碼頭結構在Z方向上的云圖輪廓與總變形云圖相近。由此可知，碼頭平面的堆貨荷載為碼頭平臺主要荷載,船舶撞擊荷載對碼頭平臺的變形影響不明顯。

圖3 碼頭平臺總變形云圖Fig.3 Total deformation nephogram of wharf platform

圖4 碼頭平臺Z方向變形云圖Fig.4 Deformation nephogram on Z direction of wharf platform

4.2碼頭平臺應力分析

碼頭平臺的第一主應力云圖如圖5所示，碼頭在豎向堆貨荷載和橫向船舶撞擊力共同作用下，碼頭的主要應力集中在右側平臺中央樁柱的位置處，節(jié)點處的最大荷載為3.35 N，符合工程要求，混凝土不會被拉潰。樁頭部位存在應力分布，大小逐次遞減，這是因為碼頭荷載通過平臺向樁底傳遞，使樁基承受這些荷載。第一主應力基本按照碼頭中央平行與x軸穿過最大應力區(qū)的軸線對稱，這條軸線上的應力變化曲線圖如圖6所示。

碼頭平臺的第二主應力云圖如圖7所示，第二主應力的最大應力區(qū)仍然在中央樁柱處，最大的應力為3.08 N，周圍逐次遞減，除了樁柱周圍為正向應力，碼頭面板部位都存在反向應力。所有應力的大小都在設計規(guī)范荷載之內。

圖5 碼頭平臺第一主應力云圖Fig.5 First principal stress nephogram of wharf platform

圖6 碼頭主軸方向第一主應力曲線圖Fig.6 1st principal stress curve of wharf spindle direction

圖7 碼頭平臺第二主應力云圖Fig.7 2nd principal stress curve of wharf spindle direction

碼頭平臺的第三主應力云圖如圖8所示，第三主應力的大小比第一主應力與第二主應力小很多，基本對結構不產生影響。

4.3 碼頭平臺鋼筋平均等效應力分析

碼頭平臺的鋼筋平均等效應力圖如圖9所示，從圖中可以看出，碼頭平臺上的鋼筋等效應力均為360 N。由于樁基施加了約束，鋼筋等效應力在樁基部分逐漸減少。對于平臺而言，鋼筋等效應力分布均勻，鋼筋混凝土整體結構穩(wěn)定。在結構模擬中，沒有發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土產生裂紋。

圖8 碼頭平臺第三主應力云圖Fig.8 3rd principal stress curve of wharf spindle direction

圖9 碼頭鋼筋平均等效應力等值線圖Fig.9 Isoline of average equivalent stress of reinforced bar in wharf

5 預先危險性分析結果

碼頭工程的建設中，有許多安全隱患，本文針對碼頭結構破壞這一危險因素，深入分析，得出對碼頭結構建設預先危險性分析表。具體預先危險性分析詳見表4。

6 結論

在對碼頭模型進行分析之后，可以得出以下結論：

表4 碼頭結構建設預先危險性分析表Tab.4 Pre construction risk analysis sheet for wharf structure construction

（1）根據有限元分析軟件的云圖和鋼筋等效應力圖顯示，碼頭平臺在設計荷載作用下只發(fā)生了小變形，并不影響其正常使用。碼頭平臺的最大應力發(fā)生在中央樁柱區(qū)，最大值為3.35 N。

（2）碼頭平臺在外部荷載作用下，部分應力集中在碼頭平臺與樁柱的結合部位，應對應力較大區(qū)域設計樁帽進行加固，或采取其他措施對應力區(qū)進行加固。

（3）通過有限元分析結果對碼頭平臺結構破壞進行預先危險性分析，結合相關因素，最終定義該危險因素的危險等級為Ⅳ級，即較為安全的結構。

[1]王元戰(zhàn),賀林林.離岸深水全直樁碼頭承載性能有限元分析[J].海洋工程,2013,31(6):45-52.

[2]王元戰(zhàn),賀林林,王朝陽.離岸深水全直樁碼頭動力簡化計算方法研究[J].巖土力學,2014(10):2 969-2 976.

[3]王元戰(zhàn),賀林林.離岸深水全直樁碼頭水平承載力簡化計算[J].水利水運工程學報,2014(5):14-21.

[4]賀林林,劉 洋,鄧 曉.離岸深水全直樁碼頭結構群樁基礎工作性狀有限元分析[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2016,35(5):79-84.

[5]李 峰,賈 湖.基于PHA與FMEA的企業(yè)安全評價方法的應用研究[J].甘肅科學學報,2016,28(4):136-140.

[6]中華人民共和國交通運輸部.JTS 144-1-2010港口工程荷載規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2010.

Preliminary Hazard Analysis on All-Vertical-Pilled Wharf’s Structural Failure

ZHUANG Ning,GAO Hua-xi
（School of Port and Transportation Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316002,China）

High-Pile Wharf is the main construction form of wharves in the coastland of Zhejiang Province.It is generally use all straight piles to design and construct the coastal wharf which is in good cover with small wave and impact force.The text starts from project cases,applying System Security Principles and Finite Element Analysis to do the PHA(preliminary hazard analysis)for the structural damage of an irregular terminal platform.Finally come to the conclusion:according to the design requirements,the wharf meets the safety specifications which marked by the unyielding condition of the wharf structure under the design load;the stress of the wharf concentrate in the combining area of the pile and the platform so that measures should be increased appropriately to keep safe;the hazard level of the wharf structure is IV and the wharf system is in safe state.

High-Pile wharf;structural failure;preliminary hazard analysis

U656.1+13

：A

2016-11-20

浙江省自然科學基金（LY12E09006）

莊寧（1993-），男，浙江寧波人，碩士研究生，研究方向：港口航道與海岸工程.

高華喜.E-mail:240175066@qq.com

1008－830X(2017)01－0042－05