龍友立

摘 要：本文針對西江某內(nèi)河大水位差高樁框架碼頭，采用有限元計算軟件MIDAS-CIVIL建立空間有限元模型，對不同水位下船舶靠泊不同位置時的某高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)受力進行分析，得到了高樁碼頭結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件的位移、彎矩等結(jié)果及其分布規(guī)律。此分析方法及結(jié)果可為同類型碼頭的結(jié)構(gòu)設計及運營使用提供一定參考。

關(guān)鍵詞：大水位差 高樁框架碼頭 船舶靠泊 撞擊力

西江是珠江水系航運主干流，為了適應西江流域經(jīng)濟的發(fā)展，保證碼頭在不同時節(jié)不同水位（水位差大于17m）下船舶均能靠泊使用，而防止船舶頻繁靠泊對高樁碼頭結(jié)構(gòu)造成破壞，其最基本的手段就是要求船舶按規(guī)范靠泊的同時使結(jié)構(gòu)具有一定的防撞能力。這就要求在設計階段對各種作用下的結(jié)構(gòu)響應進行分析，根據(jù)分析結(jié)果進行設計和采取合理的防范措施，并對碼頭的使用運營提出相應要求。本文以某高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)為例，通過有限元計算軟件MIDASCIVIL建立空間模型進行計算，對不同水位不同撞擊力作用下的碼頭結(jié)構(gòu)響應進行分析，此分析方法和結(jié)果可為同類型碼頭結(jié)構(gòu)的設計及運營使用提供一定參考。

1.分析計算方法

隨著高樁碼頭結(jié)構(gòu)設計理論和方法的發(fā)展，目前國內(nèi)外用于高樁碼頭結(jié)構(gòu)分析的方法主要分為平面計算方法、空間計算方法和物理模型試驗方法。

當碼頭縱橫向剛度比較接近時，且結(jié)構(gòu)受力較為復雜，結(jié)構(gòu)空間特性較為顯著時，碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力宜按空間計算更為合理。

高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)受力具有空間特性。按空間結(jié)構(gòu)計算框架碼頭結(jié)構(gòu)，其計算過程可采用矩陣位移法、有限單元法或有限差分法。有限單元法是以彈性力學為基礎，用矩陣進行推演，用計算機程序作數(shù)值解算，是求解各領域數(shù)理方程的一種通用的近似方法。現(xiàn)有的有限元結(jié)構(gòu)分析程序，如SAP2000、Midas Civil、Ansys、ABAQUS等軟件是國內(nèi)外都公認的通用結(jié)構(gòu)有限元計算軟件，本文通過有限元計算軟件MIDAS-CIVIL建立空間模型進行計算分析。

2.工程概況

本文選取西江某電廠高樁框架碼頭的其中一個標準結(jié)構(gòu)段（長55.8m，寬22m）進行建模分析。

碼頭基礎采用D1300mm鉆孔灌注樁（嵌巖樁），持力層為中風化巖層，底高程為-38m。排架間距為7.5m，每個排架布置4根樁。

上部結(jié)構(gòu)采用適應大水位差的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架分為4層，全部采用現(xiàn)澆工藝；碼頭系纜設施采用550kN系船柱；防護設施選用DAA400H2000L型橡膠護舷，間隔布置，間距為2200mm；碼頭前后軌道梁中心距為12m；具體詳見圖1。

3.有限元計算模型

根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)型式和力學特點，可將其簡化為桿件系統(tǒng)建立碼頭排架的有限元模型。結(jié)合《高樁碼頭設計與施工規(guī)范》（JTS 167-1-2010）和有限元分析的原理，采用MIDASCIVIL有限元軟件對全直樁框架碼頭進行計算，基樁與樁帽間為嵌固連接，根據(jù)嵌固點確定基樁的計算長度，樁端固結(jié)約束所有自由度?；炷恋膹椥阅Ａ咳?.25*104Mpa，泊松比取0.2。

3.1碼頭排架的作用荷載與效用分析

碼頭排架的永久作用包括結(jié)構(gòu)自重和傳遞給橫梁的面板自重，鋼筋混凝土重度按25.0kN/m3計算?？勺冏饔冒ù跋道|力、船舶撞擊力、碼頭面均布荷載、碼頭面流動機械荷載和移動式卸船機荷載。本文僅論證分析在不同水位不同船舶撞擊力作用下碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況，故其作用具體荷載如下：

（1）均載： q=20kN/m2。

（2）船舶撞擊力

按靠泊速度0.20m/s計算，船舶撞擊力為830kN。

3.2荷載作用組合

本文僅論證分析在不同水位不同船舶撞擊力作用下碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況，故荷載作用工況主要為正常使用期的工況，即相同的其他荷載作用+不同的船舶撞擊力作用。將船舶撞擊力分為四種，即：

（1）撞擊力01：設計高水位時作用在碼頭端部；

（2）撞擊力02：設計高水位時作用在碼頭中部；

（3）撞擊力03：設計低水位時作用在碼頭端部；

（4）撞擊力04：設計低水位時作用在碼頭中部。

故荷載作用與作用效應組合詳見表1。

3.3有限元模型的建立

為了較準確的模擬框架碼頭結(jié)構(gòu)的剛度及質(zhì)量分布，模型采用板單元模擬碼頭面板結(jié)構(gòu)，采用梁單元模擬灌注樁基礎和上部框架結(jié)構(gòu)。碼頭面上的附加質(zhì)量則采用質(zhì)量單元模擬。最終通過MIDAS-CIVIL軟件得到此碼頭結(jié)構(gòu)的有限元分析模型如圖2所示。

4.模型計算分析

本文通過MIDAS-CIVIL計算軟件采用不同荷載作用效應對框架碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況進行計算，得到此結(jié)構(gòu)段基樁及梁的軸力、彎矩和位移結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知，在船舶撞擊力作用下，此高樁框架結(jié)構(gòu)的碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移均較小，彎矩、位移最大值位于碼頭結(jié)構(gòu)的兩端，彎矩值從大到小依次為組合三（1972kN*m）﹥組合四（1758k N*m） ﹥組合一（1556kN*m） ﹥組合二（1501kN*m）。

由于高樁框架碼頭整體結(jié)構(gòu)剛度高，灌注樁抗彎承載能力強，船舶撞擊力作用下各灌注樁的彎矩分布較為均勻，每根灌注樁均能充分發(fā)揮其抗彎能力。因此，高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)比較適宜用于水位差較大的碼頭工程。

5.結(jié)語

本文以西江某電廠高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)為例，通過有限元計算軟件MIDAS-CIVIL進行計算，對碼頭結(jié)構(gòu)在不同船舶撞擊力作用下的結(jié)構(gòu)響應進行分析，分析結(jié)果表明，船舶撞擊力作用下：

（1）船舶撞擊力作用于結(jié)構(gòu)段端部時位移最大；作用于結(jié)構(gòu)段中間部位時，位移、彎矩均比作用于端部時小。作用位置由結(jié)構(gòu)段端部向結(jié)構(gòu)段中部，受力的均勻性越來越大；

（2）對高樁框架碼頭，船舶撞擊力作用下，水位越低，灌注樁彎矩最大值則越大；

（3）碼頭樁頂彎矩較大，設計時應加強樁與上部結(jié)構(gòu)連接處的抗彎強度設計；

（4）高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)比較適宜用于水位差較大的內(nèi)河碼頭工程，運營使用過程中應要求船舶按規(guī)范靠泊，盡量讓船舶?？颗c碼頭的中部位置。

參考文獻：

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