基于ANSYS的重力式碼頭深基槽設(shè)計(jì)探討

■覃 琳

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004）

基于ANSYS的重力式碼頭深基槽設(shè)計(jì)探討

■覃 琳

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004）

重力式碼頭是港口工程中常用的結(jié)構(gòu)型式。隨著大型重力式碼頭基床厚度的增加，基槽開挖底寬的優(yōu)化設(shè)計(jì)對節(jié)約工程造價(jià)有著重要的意義。本文的研究工作基于ANSYS有限元軟件，結(jié)合工程實(shí)例，計(jì)算、分析重力式碼頭深厚基床應(yīng)力擴(kuò)散特性，對深基槽開挖底寬進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期為類似工程提供參考。

重力式碼頭 深基槽 基床應(yīng)力擴(kuò)散 ANSYS有限元軟件

1 引言

重力式碼頭在我國港口工程中被廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，對上部荷載和裝卸工藝變化適應(yīng)性強(qiáng)，施工工藝成熟，后期維護(hù)費(fèi)用小。隨著我國港口工程建設(shè)的快速發(fā)展，優(yōu)良岸線資源越來越少，出現(xiàn)了不少在深基槽、厚拋石上建造的重力式碼頭。因此，深基槽開挖底寬的優(yōu)化設(shè)計(jì)對節(jié)約工程造價(jià)有著重要的意義。

現(xiàn)行《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》規(guī)定，拋石基床底寬（墻后有填土）不宜小于碼頭墻底寬度與2倍基床厚度之和，前趾按≥1.5d，后趾按≥0.5d（d為基床厚度，下同）。當(dāng)基槽拋石較厚時(shí)，計(jì)算確定的基床底面以下的拋石體可按地基換填處理，以避免基槽因超厚基床而不合理地過度擴(kuò)大底寬，增加工程費(fèi)用，但規(guī)范尚未對深厚基槽下部換填基床的應(yīng)力擴(kuò)散特性作出明確規(guī)定。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用ANSYS有限元軟件對深厚基床的應(yīng)力擴(kuò)散特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2 數(shù)值模擬

2.1 工程實(shí)例

（1）碼頭結(jié)構(gòu)

福州港三都澳港區(qū)城澳作業(yè)區(qū)8#、9#泊位工程建設(shè)3.5萬噸級和5萬噸級通用泊位各一個(gè)，碼頭水工結(jié)構(gòu)按可靠泊15萬噸級散貨船預(yù)留。碼頭采用大型重力式沉箱結(jié)構(gòu)。碼頭前沿地形起伏大，基床厚度在1.5～35m之間。當(dāng)基床厚度大于5m時(shí)，基床頂面以下5m范圍內(nèi)采用10～100kg拋石基床，基床以下為換填10～500kg塊石基礎(chǔ)，地基持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖或中風(fēng)化巖。沉箱長×寬×高= 14.04m×15.85m×21.8m（寬度不含前、后趾，各長1.5m）。沉箱隔倉內(nèi)回填10～50kg塊石。沉箱上現(xiàn)澆C40砼胸墻，胸墻高6.5m，頂高程為+9.0m。沉箱后側(cè)為10～100kg塊石減壓棱體。

（2）計(jì)算水位：采用極端高水位。

（3）工程地質(zhì)

場地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、碎石、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖等。地基持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖或中風(fēng)化巖。

（4）荷載及組合

碼頭區(qū)荷載包括：結(jié)構(gòu)物自重；堆貨荷載30kN/m2；40t門座式起重機(jī)；船舶荷載；波浪荷載等。

為簡化計(jì)算，本次研究荷載組合為永久荷載+堆貨荷載+門機(jī)荷載。

2.2 有限元模型的建立

將沉箱及其內(nèi)部回填料作為一個(gè)整體，視為線彈性材料。由于回填料、地基土是明顯的非線性材料，沉箱后側(cè)拋石棱體、拋石基床及地基土采用ANSYS自帶的D-P

模型，模型參數(shù)如下表1所示。沉箱結(jié)構(gòu)與土之間設(shè)置接觸面，模擬土與結(jié)構(gòu)的相互作用。碼頭結(jié)構(gòu)沿縱向較長，屬于平面應(yīng)變問題，為簡化計(jì)算，采用二維模型。碼頭面施加堆貨及門機(jī)荷載。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)有限元模型網(wǎng)格劃分圖

表1 有限元模型參數(shù)

2.3 基于ANSYS計(jì)算結(jié)果的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.3.1 ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果及分析

采用ANSYS有限元軟件對碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 碼頭結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖

在上部荷載和后側(cè)土壓力的作用下，沉箱結(jié)構(gòu)基床頂面最大應(yīng)力發(fā)生在前趾，約625kPa，沉箱結(jié)構(gòu)整體沉降約37cm。

圖4 拋石基床豎向應(yīng)力云圖

從圖4、圖5可以看出，沉箱前趾豎向應(yīng)力向前快速減小，基底應(yīng)力在前趾前方1.0d處的應(yīng)力約為101kPa；沉箱結(jié)構(gòu)正下方的豎向基底應(yīng)力分布較為均勻；后趾豎向應(yīng)力向后擴(kuò)散至0.5d處的應(yīng)力約為342kPa，往后基底應(yīng)力分布較為均勻。數(shù)值模擬結(jié)果表明基床頂面應(yīng)力向基床內(nèi)部擴(kuò)散范圍是有限的。將基底豎向應(yīng)力扣除基床自重應(yīng)力的影響后，可以得出上部荷載引起的基底附加應(yīng)力從前趾向前至擴(kuò)散1.0d處，基底附加應(yīng)力已基本消散。此外，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示擴(kuò)散后的后趾基底應(yīng)力大于前趾，文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果表明，由于后方堆載土壓力對后趾基床豎向應(yīng)力的影響，隨著基床深度的增加，可能出現(xiàn)后趾豎向應(yīng)力大的情況。

由上述分析可以得出，深基床內(nèi)部附加應(yīng)力擴(kuò)散線如圖5所示，前趾應(yīng)力按1∶1向前擴(kuò)散，后趾應(yīng)力按1∶0.5向后擴(kuò)散。

圖5 換填基槽豎向應(yīng)力及基床應(yīng)力擴(kuò)散線示意圖

2.3.2 深基槽開挖底寬優(yōu)化設(shè)計(jì)

數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，深基槽內(nèi)部應(yīng)力擴(kuò)散大致遵循以下規(guī)律：前趾應(yīng)力按1∶1向前擴(kuò)散，后趾應(yīng)力按1∶0.5向后擴(kuò)散。因此，深基槽開挖底寬可進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化?；岔斆嬉韵?m范圍內(nèi)拋石基床前趾應(yīng)力依照規(guī)范要求按1∶1.5向前擴(kuò)散，5m以下?lián)Q填基槽按1∶1向前擴(kuò)散，后趾應(yīng)力按1∶0.5向后擴(kuò)散進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化前后基槽開挖底寬對比如圖6、圖7所示。優(yōu)化前基槽開挖底寬64.85m，優(yōu)化后開挖底寬縮小至55.5m，每延米可減少挖泥量約179m3，減少回填量約122m3，工程總造價(jià)可減少約750萬元。

圖6 優(yōu)化前基槽開挖斷面示意圖

圖7 優(yōu)化后基槽開挖斷面示意圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，對優(yōu)化后的碼頭結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。

（1）碼頭抗傾、抗滑、基床應(yīng)力及地基承載力計(jì)算結(jié)果：如表2所示（僅列出最不利工況）。

（2）碼頭整體穩(wěn)定性計(jì)算

采用圓弧滑動法對碼頭結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。整體穩(wěn)定最小抗力分項(xiàng)系數(shù)1.385，最不利滑弧如圖8所示。

表2 碼頭抗傾、抗滑、基床應(yīng)力及地基承載力計(jì)算成果表

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，由ANSYS軟件數(shù)值模擬確定的深基槽開挖底寬可以滿足碼頭結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的要求，以及碼頭抗傾、抗滑、基床應(yīng)力、地基承載力及整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

（1）由ANSYS數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，深厚基槽前趾應(yīng)力擴(kuò)散是有一定范圍的，向前擴(kuò)散至1.0d位置處基底附加應(yīng)力就已基本消散，建議深基床前趾應(yīng)力擴(kuò)散

線可按1∶1進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖8 碼頭結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果示意圖

（2）按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算的基底應(yīng)力總是前趾大后趾小，呈梯形分布。對于深厚基床而言，與數(shù)值模擬分析的結(jié)果有所差別，數(shù)值模擬結(jié)果顯示最大基底應(yīng)力出現(xiàn)在基床中部，基底后趾應(yīng)力大于前趾。

[1]福州港三都澳港區(qū)城澳作業(yè)區(qū)8#、9#泊位工程施工圖設(shè)計(jì)文件[R].福州:福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2014.

[2]JTS 167-2-2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[3]盧少彥.重力式碼頭換填基槽開挖底寬優(yōu)化設(shè)計(jì)探討［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2012（10）:141-144.

[4]秦川、別社安.重力式碼頭拋石基床應(yīng)力分析［J］.水運(yùn)工程，2014（3）:88-93.