重力式碼頭抗滑穩(wěn)定性可靠度分析

徐文廣

（泗陽縣交通局，江蘇 泗陽 223700）

1 引言

近十幾年來，結構可靠性理論及其應用得到了迅速發(fā)展，“可靠性設計”的概念己普遍為工程設計人員所接受，世界上很多國家都制定了以可靠性理論為基礎的結構設計標準或規(guī)范。1998年，國際標準化組織正式頒布了《結構可靠性總原則》第二版，這是一個指導世界各國編制或修訂概率極限狀態(tài)設計標準或規(guī)范的一個國際性文件。參照這一標準，我國的《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》已修訂完畢并己頒布執(zhí)行。

2 影響可靠度的因素

港口工程結構設計影響的因素太多，僅荷載就有數十種之多;短期內要進行調查、勘測、統(tǒng)計是不可能的。如碼頭面堆貨荷載、門座起重機輪壓、波浪力和土壓力等，是碼頭和防波堤的主要荷載，幾年通過對國內海河主要港口，大量波浪測站資料和主要砂場、石場，進行了大量的調查、測試和統(tǒng)計分析工作，取得了十分可貴的成果;而船舶系纜力、擠靠力等，對結構設計可靠度的精度影響不是很大，以后有條件再解決。由于掌握了主要荷載和其他主要變量的統(tǒng)計特征和統(tǒng)計參數，便對編制統(tǒng)一標準和規(guī)范修訂工作奠定了較好的基礎。而對一些次要荷載和基本變量擬扔主要依據經驗或仍按定值考慮，可不影響標準規(guī)范的必要精度。

沿海、內河環(huán)境條件極為復雜，全面查清其設計特性，非短時間所能辦到，如此求得的可靠度是否可靠?對此問題，一致的看法是前面實現概率設計，需要較長的過程，需要分步驟進行。目前采用的以分項系數表達的概率極限狀態(tài)設計法，以后逐漸向直接的概率極限狀態(tài)設計過渡?，F階段這樣做的優(yōu)點是:在掌握了主要的基本變量的統(tǒng)計特征的基礎上，運用可靠度理論校準了按現行設計相近的分項系數表達式，既便于與現行設計方法相比較，也易為廣大設計人員接受。統(tǒng)一標準所規(guī)定的目標可靠指標，總體上與現行設計的可靠度水準相當，對個別不合理的有所調整，根據長期的實踐經驗，應認為其可靠性是有保證的。

3 重力式碼頭可靠度分析

重力式碼頭的結構形式主要決定于墻身結構。按墻身的施工方法可分為干地現場澆注的結構和水下安裝的預制結構。按墻身結構，重力式碼頭可分為方塊碼頭，沉箱碼頭，扶壁碼頭，大圓筒碼頭，格形鋼板樁碼頭，干地施工的現澆混凝土和漿砌石碼頭等。

沉箱是一種巨型的有底空箱，箱內用縱橫隔墻隔成若干艙格。沉箱碼頭水下工作量小，結構整體性好，抗震性能強，施工速度快，但其耐久性不如方塊碼頭，需要鋼材多，需要專門的施工設備和合適的施工條件。一般在當地有可用于預制沉箱的設施或工程量大，工期短的大型碼頭選用沉箱結構。沉箱按平面形式可分為矩形和圓形兩種。圓形沉箱受力情況較好，一般按構造配筋，用鋼量少，箱內可不設內隔壁，既省混凝土又大大減輕沉箱的重量;環(huán)形箱壁對水流的阻力小。其缺點是模板比較復雜，一般適用于墩式棧橋碼頭，特別是水流流速大，冰凌嚴重或波浪大的地區(qū)。矩形沉箱的制作比較簡單，浮游穩(wěn)定性好，施工經驗成熟，一般適用于岸壁式碼頭。矩形沉箱的斷面形式又分為對稱式和非對稱式兩種。對稱式構造簡單，便于預制，浮運和安放，是主要采用的斷面形式。非對稱式雖能節(jié)省混凝土，但制作麻煩，采用較少。

3.1 可靠度分析的基本思路

為了確保重力式碼頭的安全性，必須對抗滑穩(wěn)定性進行可靠度的分析，保證其可靠指標大于規(guī)范規(guī)定的指標值。影響結構構件抗力的主要因素是材料性能，幾何參數和計算模式，它們都是隨機變量。港口工程結構設計的影響因素有很多，但是根據目前的條件，只能對可靠度影響較大的因素進行分析。荷載如碼頭面堆貨荷載，波浪力和土壓力等?？沽σ蛩匕ㄗ灾亓?，摩擦系數及抗傾力矩計算模式等。由此可定可靠度計算中的基本變量為碼頭面均布荷載，波浪要素中的波高，土壓力計算中的土的重度和內摩擦角及碼頭自重力，摩擦系數，抗傾力矩計算模式等。

3.2 功能函數

在可靠度分析中，需要確定一個功能函數

式中，R為結構的抗力效應，S為荷載效應。

在不同的可靠度計算公式中，R和S又都有著不同的意義。對每種組合情況都需作抗滑穩(wěn)定性和抗傾穩(wěn)定性的可靠度計算。

在持久組合抗滑穩(wěn)定性計算中:

式中，G為結構自重；Ev為土壓力引起的豎向作用；Eqv為堆貨荷載引起的豎向作用；PBU為垂直波浪力；EH為土壓力引起的水平作用；EqH為堆貨荷載引起的水平作用；PB為波浪壓力引起的水平作用。

根據Turksrta組合規(guī)則可知，在可靠度分析中，主導可變作用的基準期取50年，而非主導可變作用的基準期取為1年，在無法判斷其孰為主導而孰為非主導時，可逐一確定各個作用為主導作用然后分別求其可靠指標，以較小者為最后所求值。當隨即變量的基準期分別取為50年和一年時，其平均值的大小是有所不同的，因為可變作用的分布一般均服從極值I型分布，故在此給出極嘟型分布的參數轉化公式。

為確定隨機變量SQT的概率分布函數，將設計基準期T分為m個相等的時段，每個時段的長度為τ=T/m。通過統(tǒng)計分析確定時段τ內荷載效應最大值SQi的概率分布函數FSQτ(x)。于是，按照極值統(tǒng)計學的原理，設計基準期T內最大荷載效應SQT的概率分布函數為

則SQT也服從極傲型分布，其概率分布函數中的參數αT和μT式中αT，μT概率分布函數中的參數，μT為設計基準期為T的隨機變量的平均值；

由以上公式可知，當已知服從極值I型分布某隨機變量的基準期為一年的各參數值即可求得其基準期為50年的參數值，反之亦然。

3.3 可靠度分析方法

沉箱碼頭的可靠度分析需要考慮三個方面的問題。

前面介紹了沉箱碼頭的結構和受力特點，可知沉箱碼頭的抗滑穩(wěn)定性考慮的荷載主要包括沉箱自重力，填料土壓力，堆貨荷載產生的土壓力，門機荷載產生的土壓力，貯倉壓力，系纜力及波浪力。其中以沉箱自重力的豎向作用為可靠度分析的抗力效應，以土壓力的水平分力為荷載效應。

沉箱碼頭的荷載效應S和抗力效應R的表達式均比較復雜，利用求導數的可靠度分析方法比較困難。故在此，本章亦采用不使用導數的一般計算方法，編制程序進行計算。

對于沉箱碼頭結構，荷載效應計算中涉及堆貨荷載和波浪力可變荷載的組合，由于設計使用期兩種荷載同時達到最大值的可能性極小，所以需考慮兩種可變荷載的概率組合。

4 結束語

在沉箱碼頭的抗滑穩(wěn)定性可靠度分析中，如果按照滿足規(guī)范最小要求來設計沉箱尺寸的話，其可靠指標偏小，不能滿足規(guī)范所要求的可靠指標的大小。所以這種邊界設計并不能滿足要求。如果通過增大沉箱寬度至在所有的組合情況下均能滿足抗力大于荷載，此時持久組合的可靠指標均能滿足要求，但短暫組合仍不能滿足。由此可知，短暫組合可作為沉箱碼頭可靠度計算的控制組合。

[1]董聰.現代結構系統(tǒng)可靠度理論及應用.北京:科學出版社.2001.

[2]王顯利.工程結構可靠度分析方法綜述.北華大學學報.2003.

[3]鄧子勝.工程結構可靠度設計的研究與應用進展.五邑大學學報.2001.