賀飛

摘 要：隨著現(xiàn)代航運(yùn)事業(yè)不斷向著規(guī)?；?、泊位深水化的快速發(fā)展，碼頭工程建設(shè)設(shè)計(jì)需要挑戰(zhàn)來自惡劣自然條件、深水環(huán)境等各方面因素，以往建設(shè)的碼頭結(jié)構(gòu)形式也面臨著生產(chǎn)需求的淘汰?？梢?，怎樣通過科學(xué)合理的碼頭結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)，來調(diào)整離岸、開敞、深水作業(yè)等要求逐步成為當(dāng)前碼頭水工結(jié)構(gòu)建設(shè)需要亟待解決的問題。本課題通過調(diào)研國內(nèi)外碼頭水工結(jié)構(gòu)的前沿信息，提出了現(xiàn)代化的樁基-重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，并運(yùn)用傳統(tǒng)計(jì)算原理和ANSYS結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其抗傾抗滑穩(wěn)定性、抗傾穩(wěn)定性、基床承載力、組合樁承載力和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度等內(nèi)容進(jìn)行了計(jì)算，并給出了的施工順序。本文的研究展現(xiàn)了樁基重力式碼頭水工結(jié)構(gòu)在深水作業(yè)條件下的適用性。

關(guān)鍵詞：ANSYS 深水碼頭 樁基 復(fù)合結(jié)構(gòu)

隨著傳統(tǒng)碼頭岸線資源的不斷枯竭與現(xiàn)代船舶規(guī)模化的要求，加快碼頭結(jié)構(gòu)的深水化發(fā)展不斷成為現(xiàn)代碼頭工程建設(shè)的重要方向。新型樁基-重力式復(fù)合碼頭結(jié)構(gòu)形式不但能夠繼承傳統(tǒng)碼頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，還可以適應(yīng)現(xiàn)代深水作業(yè)條件的要求，不斷成為我國碼頭工程建設(shè)研究的重要課題之一。本文通過某實(shí)際外海深水碼頭結(jié)構(gòu)的工程建設(shè)應(yīng)用研究，并建立有限元模型分析，驗(yàn)證其了適用性。

1.工程建設(shè)概況

南方某沿海地區(qū)包括三個(gè)深水港口航運(yùn)區(qū)。由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，面臨的淤積問題、泊位數(shù)量問題等很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)難以找到良好的解決方案，并不斷影響到該地區(qū)航運(yùn)的正常運(yùn)行。此外，大量的船舶泊位受限、碼頭噸位基本低，都嚴(yán)重影響了現(xiàn)代的需求，因此，該地區(qū)規(guī)劃建設(shè)新港口噸位達(dá)到30萬的港口碼頭工程。

水深問題是該是30萬t碼頭要解決的重要問題之一，該建設(shè)區(qū)域所處的水深環(huán)境、碼頭選煉廠廠址等是該工程設(shè)計(jì)的主要考慮問題，新建碼頭選址處于水深條件較好的深水區(qū)，該區(qū)域的-20m等深線范圍距離岸邊的距離不到2公里，比較適合貨物運(yùn)輸。新建碼頭的整體呈現(xiàn)出“蝶”字形式，總長(zhǎng)度為達(dá)到450m，其碼頭面標(biāo)高達(dá)到9.0m，其前沿水深達(dá)到-24.8m。碼頭整體布置有工作平臺(tái)一個(gè)、靠船墩兩個(gè)。新建碼頭所在區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境良好，巖面埋藏深度較小。僅從地質(zhì)環(huán)境方面來看，該碼頭比價(jià)符合選取樁基-重力式碼頭結(jié)構(gòu)體系。

2 .樁基-重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)計(jì)算和ANSYS模型建立

2.1計(jì)算內(nèi)容與原理

關(guān)于樁基-重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)水工結(jié)構(gòu)的計(jì)算，國內(nèi)外工程實(shí)踐中主要控制內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)體系的抗傾驗(yàn)算、抗滑移驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、基床承載性能驗(yàn)算、下部結(jié)構(gòu)承載性能驗(yàn)算、連接節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算、樁基整體強(qiáng)度驗(yàn)算等內(nèi)容。新型結(jié)構(gòu)體系的主要構(gòu)件如沉箱、砼承臺(tái)、鋼管砼樁等的計(jì)算要求和指標(biāo)與傳統(tǒng)鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算控制指標(biāo)相同。主要控制計(jì)算原理如下：

（3）基床承載力計(jì)算

關(guān)于基床的承載性能計(jì)算可以參考現(xiàn)行重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)程之中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，公式為：

（4）鋼管混凝土組合樁的計(jì)算鋼管砼預(yù)應(yīng)力樁的計(jì)算參考傳統(tǒng)鋼筋砼解耦股計(jì)算原理。

（5）樁基與沉箱的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的計(jì)算

關(guān)于樁基和沉箱基礎(chǔ)的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算，是該工程類型碼頭結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵部位之一。目前水工結(jié)構(gòu)類規(guī)范并沒有制定特別的計(jì)算方式與構(gòu)造方式，工程實(shí)踐中大多數(shù)選取端部加固或埋入等方式來實(shí)現(xiàn)。具體如圖1所示。

2.2主體水工結(jié)構(gòu)ANSYS建模

（1）實(shí)體單元的選取

根據(jù)該樁基-重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，該工程運(yùn)用有限元模擬軟件 ANSYS來完成該解耦股的建模。由于該碼頭水工結(jié)構(gòu)有多重材料構(gòu)成，為達(dá)到結(jié)構(gòu)實(shí)際受力和應(yīng)變特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)選取三維單元模型進(jìn)行模擬和分析。

由于水工主體結(jié)構(gòu)選取的是復(fù)合鋼筋砼材料，根據(jù)有限元模擬的特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)中選取solid65單元進(jìn)行港口碼頭水工結(jié)構(gòu)模擬。有限元分析內(nèi)容主要包括下部結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、鋼管砼柱受力特性等；對(duì)于鋼管所用的鋼材和沉箱外部結(jié)構(gòu)，選用solid45實(shí)體單元進(jìn)行模擬；對(duì)于桿件和支撐體系，該結(jié)構(gòu)中選取link08 進(jìn)行模擬；關(guān)于接觸問題，如鋼管與砼之間的接觸，該項(xiàng)目選用彈簧單元進(jìn)行模擬。

（2）水工結(jié)構(gòu)建模步驟和結(jié)果分析

①實(shí)體模型的建立

該主體結(jié)構(gòu)建模首先使用CAD軟件做出線框模型，并運(yùn)用ANSYS軟件所給出的接口將其導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)實(shí)體單volume建模。

②網(wǎng)格劃分

由于該結(jié)構(gòu)整體體積較大，因此選用自由劃分，網(wǎng)格長(zhǎng)度為1.0m。該課題運(yùn)建立的ANSYS有限元結(jié)構(gòu)模型見圖2所示。

2.3計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比

結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容主要包括 工作平臺(tái)、靠船墩、引橋、系纜等部分。驗(yàn)算內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)的抗滑移力大小、抗傾覆力矩、基床頂面應(yīng)力等內(nèi)容。通過對(duì)主要指標(biāo)的運(yùn)算，能夠展現(xiàn)出了樁基—重力式符合結(jié)構(gòu)體系的良好承載性能。

通過運(yùn)算發(fā)現(xiàn)，該新建碼頭工程在靠船墩、系纜墩等部分的抗傾穩(wěn)定性方面，要比其他結(jié)構(gòu)大1.2倍，相比重力式結(jié)構(gòu)體系也增加了8%左右；其抗滑穩(wěn)定系數(shù)方面，也能達(dá)到規(guī)范的要求。對(duì)于結(jié)構(gòu)的引橋墩的抗傾穩(wěn)定性方面，該結(jié)構(gòu)的系數(shù)超出傳統(tǒng)重力式的增加了45%左右。

通過有限元分析結(jié)構(gòu)能夠看出，運(yùn)用樁基-重力式結(jié)構(gòu)體系，能夠有效解決港口碼頭工程建設(shè)所面臨的深水、大跨度、不均勻沉降等問題。對(duì)于傳統(tǒng)碼頭安裝與使用過程之中，經(jīng)常出現(xiàn)傾斜問題，導(dǎo)致后期安裝的糾偏困難和使用功能難以實(shí)現(xiàn)等問題，必須通過合理的設(shè)計(jì)和施工安裝計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。

3.施工特點(diǎn)和主要工序

3.1施工特點(diǎn)

通常深水碼頭選用的水工結(jié)構(gòu)形式包括許多種，由于工程量較大，并受到復(fù)雜海域環(huán)境的影響，導(dǎo)致樁基—重力式符合結(jié)構(gòu)的施工難度較大。

該結(jié)構(gòu)形式碼頭施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)場(chǎng)地的要求比較嚴(yán)格，通常會(huì)準(zhǔn)備比較大的預(yù)制場(chǎng)地來進(jìn)行變截面的沉箱、管樁來安裝，施工過程需借助大型船只設(shè)備來配合完成。該工程施工需要結(jié)合工期要求，對(duì)于施工船機(jī)、人員配置與項(xiàng)目組織管理等方面，該復(fù)合結(jié)構(gòu)體系提出了較高的要求。

3.2施工順序

由于該碼頭選用的樁基-重力式復(fù)合水工結(jié)構(gòu)體系，在設(shè)計(jì)和施工方面的特殊性，要求必須采取科學(xué)的施工工序來建設(shè)，具體如下：

樁基—重力式碼頭結(jié)構(gòu)的施工準(zhǔn)備→樁基工程施工→預(yù)制基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)吊裝→地基處理和基床施工→基床拋石與平整處理→半潛駁出運(yùn)復(fù)合結(jié)構(gòu)體系施工，協(xié)調(diào)浮吊結(jié)構(gòu)安裝→水下部分基礎(chǔ)施工→鋼管砼主體結(jié)構(gòu)的承臺(tái)部分澆筑施工→附屬構(gòu)件的安裝施工。

4.結(jié)論

當(dāng)前國內(nèi)關(guān)于樁基-重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的碼頭工程建設(shè)案例還比較少，本文借助國內(nèi)實(shí)際工程案例，對(duì)新型樁基-重力式深水碼頭結(jié)構(gòu)，本文通過ANSYS有限元軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、傾覆力矩等進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了其適用性。同時(shí)本文還給出了新型結(jié)構(gòu)體系的具體施工流程和施工注意事項(xiàng)進(jìn)行了探討，希望本文的研究，能夠?yàn)轭愃拼a頭水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTS 145-2015，港口與航道水文規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]中華人民共和國交通運(yùn)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.

[3]王云球.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4]孫子宇.離岸深水港建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)[J].中國港灣建設(shè)，2010（增刊 1）.1-11.

[5]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTS 167-1-2010，高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2010.