輕型碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究

■馬長禮 ■海軍工程設(shè)計(jì)研究院，北京市 100070

1 碼頭的主要結(jié)構(gòu)型式及其特點(diǎn)

碼頭常見的結(jié)構(gòu)型式有以下幾種:

(1)樁基式碼頭。這是國內(nèi)碼頭較為常用的一種結(jié)構(gòu)型式，其具體特點(diǎn)如下:位于海中的樁基具有結(jié)構(gòu)體積小的特點(diǎn)，這使其所出承受的波浪和水流作用力相對(duì)較小;樁基結(jié)構(gòu)本身的承載能力較好，結(jié)構(gòu)受力非常合理，即便碼頭水深增加，其總體造價(jià)也不會(huì)出現(xiàn)過大的波動(dòng)變化，經(jīng)濟(jì)性較佳，適用于水域較深的工程;由于直立式樁基礎(chǔ)的抗側(cè)移剛度相對(duì)較小，水平位移較大，所以在敞開式碼頭中的應(yīng)用相對(duì)較少，而斜樁雖然抗側(cè)移剛度大，水平位移小，但在海域上的施工難度較高。

(2)重力式碼頭。此類結(jié)構(gòu)型式的碼頭技術(shù)相對(duì)比較成熟，在國內(nèi)碼頭中的應(yīng)用也比較廣泛，它的具體特點(diǎn)如下:傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型，設(shè)計(jì)與施工技術(shù)都比較完善，并且各方面經(jīng)驗(yàn)也十分豐富;對(duì)外力具有非常良好的適應(yīng)性;設(shè)備基礎(chǔ)對(duì)外界荷載變化的敏感性較低;維護(hù)工作量小、成本低;斷面越大造價(jià)越高，其造價(jià)與水深的立方成正比例關(guān)系;在水深且流速較大的海域上施工比較困難，海上作業(yè)兩大、施工時(shí)間廠，危險(xiǎn)系數(shù)較高。

(3)導(dǎo)管架碼頭。所謂的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)就是由鋼管焊接成塔架，它的主體結(jié)構(gòu)為直立套管，這些套管全部是在工廠內(nèi)預(yù)先制作完成在運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)的，借助套管打入鋼管樁，并將之固定在海底，然后在套管與樁之間用混凝土進(jìn)行灌注，使其連接成為有機(jī)的整體。這種結(jié)構(gòu)型式最為顯著的特點(diǎn)是整體性好、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、便于施工、承載力大。

2 輕型碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.1 輕型碼頭結(jié)構(gòu)

所謂的輕型碼頭實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)鋼管焊接而成的空間剛架，它以四周直立的粗鋼管作為樁，相鄰樁之間的多層鋼管作為支撐體系，這種碼頭結(jié)構(gòu)的主要組成部分如下:上部平臺(tái)、透空式樁與支撐體系、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。其中上部平臺(tái)是整個(gè)碼頭的操作平臺(tái);透空式樁與支撐體系則是由鋼管焊接組合而成，它的具體作用是承受來自于波浪和水流以及船舶的荷載，并支撐碼頭的上部平臺(tái);基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是將樁支撐體系與海底基巖相連接，常用的形式有混凝土芯柱嵌巖結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

由于輕型碼頭結(jié)構(gòu)位于海中部分的體積較小，所以受水流、波浪的影響也較小，主要依靠結(jié)構(gòu)受力，并且受力合理。這與重力式碼頭結(jié)構(gòu)依靠自身重量維持穩(wěn)定性的受力特點(diǎn)有著明顯差別，能夠有效減少碼頭水深對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的負(fù)面影響。在設(shè)計(jì)輕型碼頭時(shí)，可根據(jù)港口條件，在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用巖基淺埋技術(shù)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的抗壓能力。因樁基埋入的深度較淺，為此必須保證樁基與巖基連接良好。水平荷載是輕型碼頭結(jié)構(gòu)承受的主要作用力，所以在計(jì)算輕型碼頭結(jié)構(gòu)平面尺寸時(shí)，要充分考慮樁端強(qiáng)度和抗拔力因素。同時(shí)，輕型碼頭在船舶撞擊力作用下，會(huì)造成較大疲勞損傷，在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)必須對(duì)此予以重視。

2.3 優(yōu)化限定條件

輕型碼頭結(jié)構(gòu)受撞擊力的影響較大，樁端會(huì)產(chǎn)生較大拉力，在優(yōu)化輕型碼頭結(jié)構(gòu)的過程中，必須要確保該拉力小于樁的抗拔力;為防止輕型碼頭結(jié)構(gòu)過早疲勞，必須保證桿件滿足強(qiáng)度要求，使管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力幅值小于材料的屈服強(qiáng)度，適當(dāng)降低桿件的靜力強(qiáng)度許用值;輕型碼頭結(jié)構(gòu)的桿件和節(jié)點(diǎn)尺寸要滿足構(gòu)造要求，在計(jì)算輕型碼頭結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性和管節(jié)點(diǎn)靜力強(qiáng)度時(shí)充分考慮桿件和節(jié)點(diǎn)尺寸因素。

3 輕型碼頭靜動(dòng)力計(jì)算方法

3.1 靜力計(jì)算方法

(1)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。利用ANSYS對(duì)輕型碼頭靠船墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，具體分為建立結(jié)構(gòu)整體模型、施加荷載求解、獲取分析結(jié)果三個(gè)步驟。對(duì)輕型碼頭結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移進(jìn)行計(jì)算，主要包括波浪力、撞擊力、永久荷載、系纜力、水流力等荷載。建立輕型碼頭結(jié)構(gòu)有限元模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)分段來劃分樁和支撐的單元大小，并采用梁?jiǎn)卧?，上部承臺(tái)采用殼單元。在優(yōu)化輕型碼頭結(jié)構(gòu)過程中，存在著樁內(nèi)灌注混凝土砂漿和散體的情況，在計(jì)算第一種情況時(shí)，要綜合考慮樁內(nèi)混凝土的質(zhì)量和剛度，按照鋼管混凝土的具體情況建模計(jì)算;在計(jì)算第二種情況時(shí)，要充分考慮散體的質(zhì)量，不用考慮其剛度因素。

(2)靜力強(qiáng)度計(jì)算。①鋼管強(qiáng)度。按照我國現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求對(duì)樁的承載能力進(jìn)行校核，通常圓形截面的正應(yīng)力可用下式進(jìn)行校核:

上式當(dāng)中，N代表鋼管所承受的截面軸力(單位:kN);M代表鋼管所承受的截面彎矩(單位:kN/m);As代表鋼管面積(單位:㎡);Ws代表鋼管的截面模量(單位:m3)。

②鋼管混凝土受壓構(gòu)件。可按照我國現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)鋼管混凝土樁在壓彎狀態(tài)下的承載能力進(jìn)行校核。由于在壓彎條件下，鋼管與核心混凝土處于共同工作狀態(tài)，故此，鋼管上所承受的等效應(yīng)力應(yīng)當(dāng)滿足下式的要求:

在上式當(dāng)中，Asc=(EsAs+EcAc)/Es，其中Es為鋼管的彈性模量(單位:Pa);Wsc=(EsWs+EcWc)/Es，其中Ec為混凝土的彈性模量(單位:Pa)。

(3)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算。由于軸心受壓構(gòu)件都或多或少地存在各種初始缺陷，其實(shí)際失穩(wěn)歸屬于極值失穩(wěn)的范疇，并且多數(shù)都是發(fā)生在彈塑性狀態(tài)下。故此，可以壓彎構(gòu)件的極限荷載理論對(duì)其極限承載力進(jìn)行確定。而對(duì)于軸壓構(gòu)件來講，當(dāng)其原材料屬性、截面形狀與尺寸、構(gòu)件長度、端部約束等條件全部給定時(shí)，可通過數(shù)值法來獲取構(gòu)件的極限荷載值。我國現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了明確規(guī)定，可按極限荷載理論，并使用逆算單元法進(jìn)行計(jì)算。在輕型碼頭結(jié)構(gòu)中，因構(gòu)件長度方向的不同，使得大部分壓彎構(gòu)件承受的彎矩呈現(xiàn)出不均勻分布狀態(tài)。對(duì)于壓彎桿而言，其彎矩對(duì)壓桿剛度最具影響力的因素是彎矩的最大截面。壓彎桿在彎矩最大截面形成塑性鉸之前極容易失去穩(wěn)定性。所以，對(duì)壓彎桿的計(jì)算是將不均勻分布的等效彎矩等效成均勻分布的彎矩，而后根據(jù)均勻分布的壓彎構(gòu)件對(duì)其平面的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。在這一計(jì)算過程中遵循的等效原則為最大彎矩在等效前后相等。輕型碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定驗(yàn)算公式如下:

3.2 動(dòng)力計(jì)算方法

(1)自振特性計(jì)算。輕型碼頭結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度對(duì)其固有振動(dòng)特性能夠產(chǎn)生重大影響。采用ANSYS分析軟件對(duì)輕型碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，確定其自振特性。在計(jì)算過程中，使用Block Lanczos法，并采用完整的質(zhì)量和剛度矩陣。樁基結(jié)構(gòu)共分為以下三種:樁基為純鋼管結(jié)構(gòu)，其自振周期為0.51s;樁基內(nèi)灌注散體，其自振周期為0.63;樁基為鋼管混凝土樁，其自振周期為0.55s。通過計(jì)算得出以下結(jié)論，即輕型碼頭結(jié)構(gòu)的自振周期一般均不超過0.7s，并且結(jié)構(gòu)剛度越大，自振周期越小，與波浪周期9.4s存在較大差異。

(2)波浪荷載作用下的動(dòng)力計(jì)算。采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)在時(shí)域內(nèi)分析波浪荷載作用下的輕型碼頭結(jié)構(gòu)動(dòng)力，利用求解精度高的完全法進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析求解公式為:

阻尼矩陣用以反映在多種耗能因素影響下的綜合作用系數(shù)，采用阻尼常數(shù)α、β對(duì)阻尼矩陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)定義。由此可得阻尼矩陣［C］的公式為:

在公式中，ω表示結(jié)構(gòu)圓頻率，ξ表示阻尼比，選取3%。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)輕型碼頭結(jié)構(gòu)動(dòng)力進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)波浪荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值。通過計(jì)算可知，輕型碼頭結(jié)構(gòu)動(dòng)力對(duì)波浪荷載的響應(yīng)不顯著，所以可將波浪荷載視為靜力荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

(3)撞擊作用下的動(dòng)力計(jì)算。在船舶撞擊作用下，輕型碼頭結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)與撞擊時(shí)間長短有著密切關(guān)系。在撞擊時(shí)間較短的情況下，結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)十分明顯，其動(dòng)力放大系數(shù)高達(dá)1.3-1.5，這時(shí)應(yīng)將撞擊力視為動(dòng)力荷載進(jìn)行計(jì)算;在撞擊時(shí)間較長的情況下，結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)并不明顯，可將撞擊力視為靜力荷載進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)論

綜上所述，本文從靜力和動(dòng)力兩個(gè)方面對(duì)輕型碼頭結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法進(jìn)行了分析。輕型碼頭作為一種新型的碼頭結(jié)構(gòu)型式，其適用于深水水域，這種結(jié)構(gòu)不斷能夠滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性等方面的研究，而且經(jīng)過計(jì)算在船舶撞擊作用下，其不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)等情況。由此可見，該結(jié)構(gòu)具有推廣使用價(jià)值。

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