新型框筒式碼頭結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

李武，劉曉曦，丁大志，陳允才

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.連云港港30萬噸級(jí)航道建設(shè)指揮部，江蘇 連云港 222042）

新型框筒式碼頭結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

李武1，劉曉曦1，丁大志2，陳允才2

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.連云港港30萬噸級(jí)航道建設(shè)指揮部，江蘇 連云港 222042）

結(jié)合連云港港徐圩港區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，提出一種將駁岸和碼頭結(jié)構(gòu)結(jié)合的新型框筒式碼頭結(jié)構(gòu)形式，并建立相應(yīng)的數(shù)值模型，分析框筒式結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定，得出新型框筒碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能夠滿足施工期和使用期變形穩(wěn)定要求；框筒結(jié)構(gòu)的水平位移主要在施工期完成，使用期水平變形在10 cm以內(nèi)，而且前板樁墻和樁基共同變位，相對(duì)位移差在毫米量級(jí)上，不會(huì)影響上面門機(jī)作業(yè)。

框筒式結(jié)構(gòu)；碼頭結(jié)構(gòu)；數(shù)值計(jì)算；穩(wěn)定

0 引言

在軟土地基上通過圍海造地建造港口工程時(shí)，地基土天然含水量高、壓縮性高、承載力低[1]。傳統(tǒng)做法是先在軟土地基建造斜坡式圍堤、回填成陸，再在圍堤前建造碼頭結(jié)構(gòu)和駁岸結(jié)構(gòu)[2-7]。圍堤、駁岸、碼頭結(jié)構(gòu)分別承擔(dān)不同的功能，未能夠很好地發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)的承載能力，致使工程造價(jià)增高。依托連云港港徐圩港區(qū)的開發(fā)建設(shè)，在分析研究類似地區(qū)傳統(tǒng)工程做法以及超深格形地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)抗水平力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出將駁岸和碼頭結(jié)構(gòu)結(jié)合的一種新型的框筒式碼頭結(jié)構(gòu)形式。

1 框筒式結(jié)構(gòu)方案

新型框筒式碼頭結(jié)構(gòu)形式由多片地連墻圍成格形框架結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)入土深度和平面尺度。地連墻構(gòu)成的格形同時(shí)具有筒式結(jié)構(gòu)的空間特性，既能通過擴(kuò)大平面尺度滿足擋土要求，又可以通過增加地連墻深度滿足碼頭使用要求，結(jié)構(gòu)整體剛度大，水平和豎向承載能力高。將碼頭結(jié)構(gòu)與駁岸結(jié)構(gòu)結(jié)合，采用陸上施工，施工速度快，施工機(jī)械小。在淤泥質(zhì)海岸通過圍海造地建設(shè)大型港區(qū)，該新型框筒碼頭結(jié)構(gòu)形式具有明顯技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

圖1為框筒式結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 框筒式結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of frame drum structure

2 框筒式結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

2.1 框筒式結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1.1 模型參數(shù)

土體采用實(shí)體單元solid45進(jìn)行模擬，針對(duì)淤泥質(zhì)海岸的地質(zhì)特性，分別采用土體的不排水指標(biāo)與排水指標(biāo)研究土體在施工過程中的不同性狀。吹填疏浚土?xí)r，下臥軟土滲透系數(shù)較小，尚來不及發(fā)生排水固結(jié)，采用不排水指標(biāo)的總應(yīng)力法進(jìn)行研究?？蛲埠湾^系施工結(jié)束后，土體固結(jié)基本完成，采用排水指標(biāo)的有效應(yīng)力法進(jìn)行分析。土體指標(biāo)見表1所示。

表1 土體指標(biāo)Table 1 Soil indicator

框筒采用shell63單元進(jìn)行模擬，錨桿采用link8單元進(jìn)行模擬，錨釘樁采用beam4單元進(jìn)行模擬，均為鋼筋混凝土構(gòu)件，共同的材料參數(shù)為天然重度γ=25 kN/m3，泊松比=0.167，彈性模量E s=3.25×104MPa。

2.1.2 加載工況分析

在分析的第一步，首先考慮地基土的地應(yīng)力平衡。粉質(zhì)黏土在自重作用下完成了初始地應(yīng)力平衡，在繼續(xù)分析后續(xù)施工工序時(shí)，得到的位移結(jié)果是累加了初始位移的結(jié)果，而現(xiàn)實(shí)中初始位移早就結(jié)束，對(duì)框筒的施工和使用不產(chǎn)生影響，因此首先考慮粉質(zhì)黏土的自重應(yīng)力場。工況二為回填淤泥，由于淤泥尚未完成沉積過程，所以淤泥自重引起的沉降不能作為初始位移，此過程中采用淤泥的不排水指標(biāo)。工況三為淤泥完成沉降，進(jìn)行框筒施工，此過程中采用淤泥的排水指標(biāo)。工況四為框筒結(jié)構(gòu)使用過程中的最不利荷載組合，考慮碼頭使用需求，最不利荷載組合設(shè)計(jì)為：碼頭面荷載40 kN/m2，堆場面荷載50 kN/m2，船舶系纜力2 000 kN，Mh-10-30門座式起重機(jī)，前腿腿壓850 kN，后腿腿壓680 kN，輪數(shù)為8×4。

利用ANSYS中的荷載步和生死單元功能可以實(shí)現(xiàn)不同工況間的連續(xù)計(jì)算，模擬結(jié)構(gòu)的施工和使用過程。在用ANSYS對(duì)框筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工過程的模擬時(shí)，根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算的特點(diǎn)，對(duì)施工工序進(jìn)行了必要的簡化，將第二層淤泥同第一層淤泥同時(shí)回填，簡化后的工序如表2。

表2 荷載步對(duì)應(yīng)工序說明Tab le 2 W orking procedure of load steps

2.2 框筒式結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.2.1 施工期框筒穩(wěn)定計(jì)算

圖2和圖3分別為施工期模型和框筒的變形情況。模型最大豎直沉降為0.538 m。模型海測最大水平位移為0.388 m。

表3和表4分別為前后板樁墻頂端和樁頂端的沉降和水平位移。結(jié)果表明，板樁墻和樁頂變形協(xié)調(diào)一致。

圖2 施工期模型變形情況Fig.2 M odel deformation condition in construction period

圖3 施工期框筒變形情況Fig.3 Fram e drum sdeform ation condition in construction period

表3 板樁墻頂端和樁頂端沉降Tab le3 Settlementat the topsof sheet pilewalland pile m

表4 板樁墻頂端和樁頂端水平位移協(xié)調(diào)情況（每3m取1點(diǎn)）Table4 Coordination condition of thehorizontaldisplacement at the topsof sheet pilew alland pile(choose one point in every 3m) m

2.2.2 使用期框筒穩(wěn)定計(jì)算

圖4和圖5分別為使用期最不利荷載組合情況下模型和框筒的變形情況。模型最大豎直沉降為0.391m，產(chǎn)生在碼頭后方堆載區(qū)域。模型最大海測水平位移為0.072 m，產(chǎn)生在框筒結(jié)構(gòu)區(qū)域，最大岸向水平位移為0.155 m，產(chǎn)生在碼頭后方堆載區(qū)域。表5和表6分別為板樁墻頂端和樁頂端的沉降和水平位移。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)和土體的沉降及位移可以滿足碼頭在最不利荷載情況下的使用要求，板樁墻和樁頂變形協(xié)調(diào)一致，能夠滿足門機(jī)軌道的使用要求。

3 結(jié)語

通過對(duì)新型框筒碼頭結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析，可以得出以下初步結(jié)論：

1）回填狀態(tài)下新型框筒碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能夠滿足施工期和使用期變形穩(wěn)定要求，可以作為碼頭結(jié)構(gòu)使用。

2）框筒結(jié)構(gòu)的水平位移主要在施工期完成，使用期水平變形在10 cm以內(nèi)，而且前板樁墻和樁基共同變位，相對(duì)位移差在毫米量級(jí)上，不會(huì)影響上面門機(jī)作業(yè)。

圖4 使用期模型變形情況Fig.4 M odel deform ation condition in app lying period

圖5 使用期框筒變形情況Fig.5 Frame drumsdeformation condition in applying period

表5 板樁墻頂端和樁頂端沉降Table 5 Settlementat the topsof sheetpilew alland pile m

前板樁墻 -0 . 0 5 0 1 -0 . 0 5 0 4 -0 . 0 5 0 7 -0 . 0 5 0 6后板樁墻 -0 . 0 5 0 1 -0 . 0 5 0 4 -0 . 0 5 0 2 -0 . 0 5 0 9樁 -0 . 0 5 0 7 -0 . 0 5 0 4 -0 . 0 5 0 1 -0 . 0 5 0 6

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Numerical analyses of new frame drum wharf structure

LIWu1,LIUXiao-xi1,DINGDa-zhi2,CHENYun-cai2
（1.CCCCThird Harbor ConsultantsCo.,Ltd.,Shanghai200032,China; 2.Construction Headquartersof Lianyungang Port300 000 tonsWaterway,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

Combined with the geological features of Xuwei Port in Lianyungang Port,we proposed a new frame drum wharf structure type by combining revetment and wharf structure,and established its numericalmodel,analyzed its deformation and stability.The resultsare obtained that the stability ofnew frame drum wharf structure canmeet the deformation stability requirement in construction and applying period,the horizontal displacementof frame drum structure ismainly complete in construction period,the applying horizontal displacement iswithin 10 cm,the sheet pile wall and pile foundation are together deformed, the relative displacementdifference is on the orderofmillimeters,the unloadersoperation willnotbe affected.

frame drum structure;wharf structure;numerical analyses;stability

U652.72；U655.544.6

A

2095-7874（2015）05-0001-04

10.7640/zggw js201505001

2015-01-18

李武（1978— ），男，黑龍江哈爾濱市人，博士，高級(jí)工程師，主要從事港口工程、巖土工程、地下工程等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與科研工作。E-mail：liw@theidi.com