對(duì)全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)破壞的預(yù)先危險(xiǎn)性分析

莊 寧，高華喜

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

對(duì)全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)破壞的預(yù)先危險(xiǎn)性分析

莊 寧，高華喜

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

高樁碼頭是浙江沿海地區(qū)主要的碼頭建筑物形式，對(duì)于沿海掩護(hù)較好，波浪力及撞擊力較小的碼頭，一般采用全直樁的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。本文從工程實(shí)例入手，運(yùn)用系統(tǒng)安全原理和有限元分析方法，對(duì)一個(gè)不規(guī)則碼頭平臺(tái)的結(jié)構(gòu)破壞作出預(yù)先危險(xiǎn)性分析。最后得出結(jié)論：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，碼頭結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下沒(méi)有達(dá)到屈服，符合使用安全規(guī)范；碼頭的應(yīng)力集中在樁柱與平臺(tái)結(jié)合部，應(yīng)適當(dāng)增加保護(hù)措施；碼頭結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)性等級(jí)定級(jí)為Ⅳ級(jí)，碼頭整體系統(tǒng)處于安全的使用狀態(tài)。

高樁碼頭；結(jié)構(gòu)破壞；預(yù)先危險(xiǎn)性分析

高樁碼頭是浙江沿海主要的碼頭形式，一般形式為高樁梁板式碼頭、高樁墩式碼頭等。為抵消整體受到的水平力，碼頭往往在樁基中布置叉樁。目前，在深水外海和沿海有掩護(hù)的小型碼頭也有采用全直樁的樁基布置形式，并且在樁帽下部安插水平撐以支撐水平方向的作用力。對(duì)全直樁高樁碼頭的結(jié)構(gòu)形式，已經(jīng)有學(xué)者做出了相應(yīng)的研究。王元戰(zhàn)等[1-3]對(duì)深水全直樁高樁碼頭做出了承載力性能研究，提出了在自振頻率與波浪周期等要素相近并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的情況下，碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力簡(jiǎn)化計(jì)算方法以及對(duì)水平承載力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。賀林林等[4]從樁群的角度進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)樁群的工作性狀進(jìn)行了研究。以上研究可以對(duì)本文的結(jié)構(gòu)做一些參考，但是不規(guī)則碼頭平臺(tái)和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)有其特殊性，不同于上述，在承載力和破壞形式上存在很大的不同。

預(yù)先危險(xiǎn)分析（PHA，preliminary hazard analysis）[5]，是指在產(chǎn)品或系統(tǒng)開(kāi)發(fā)初期，對(duì)危險(xiǎn)類(lèi)別、危險(xiǎn)產(chǎn)生條件、事故后果的定性分析。在碼頭工程中。以系統(tǒng)的思想對(duì)碼頭在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行預(yù)先危險(xiǎn)性分析是非常有必要的，可以對(duì)碼頭的整體結(jié)構(gòu)性能作出初步的判斷，以便在設(shè)計(jì)中對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)。

1 工程概況

舟山地區(qū)某石渣出運(yùn)碼頭采用高樁現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進(jìn)行碼頭設(shè)計(jì)，采用樁基與碼頭平面直接澆筑的方法進(jìn)行碼頭施工。

1.1碼頭構(gòu)件情況

本工程建筑面積為340.1 m2樁基采用14根Φ 800 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)均為50 m，樁底嵌入巖層，為嵌巖樁。碼頭平臺(tái)采用C40混凝土澆筑，主要受力鋼筋均為三級(jí)熱壓帶肋鋼筋?？看瑐?cè)采用橡膠護(hù)舷對(duì)船舶撞擊力進(jìn)行消能。具體碼頭平臺(tái)樁位布置情況及碼頭平臺(tái)的具體尺寸如圖1。

1.2 碼頭荷載情況

圖1 碼頭平臺(tái)樁位布置圖Fig.1 Layout of pile site of wharf platform

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[6]施加碼頭整體的自重力、碼頭平面的堆貨荷載以及船舶在撞擊時(shí)的撞擊力，整個(gè)碼頭平面施加均布堆貨荷載，荷載大小取60 kN/m2。重力加速度采用9.8 m/s2。船舶靠岸時(shí)的撞擊力為78.9 kN，均勻分布于平臺(tái)靠船側(cè)的平面上。

1.3 各項(xiàng)工程參數(shù)一覽

碼頭構(gòu)件的材料系數(shù)詳見(jiàn)表1，碼頭設(shè)計(jì)時(shí)的水文條件詳見(jiàn)表2。

表1 碼頭構(gòu)件材料參數(shù)表Tab.1 Material parameter list of wharf's component

表2 碼頭設(shè)計(jì)水文條件表Tab.2 Hydrologic condition list for wharf design

2 預(yù)先危險(xiǎn)性分析方法

預(yù)先危險(xiǎn)性分析的功能是預(yù)防危險(xiǎn)事件的發(fā)生。在港口工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中，預(yù)先危險(xiǎn)性分析主要是對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及破壞性狀進(jìn)行分析，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載下的變形和應(yīng)力進(jìn)行分析。根據(jù)危險(xiǎn)后果嚴(yán)重性等級(jí)表，對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。預(yù)先危險(xiǎn)性過(guò)程是在對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析之后，根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)表現(xiàn)對(duì)碼頭整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作出評(píng)估，列出對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)損壞這一事件的預(yù)先危險(xiǎn)性分析表，最終得出結(jié)論即碼頭的設(shè)計(jì)荷載是否會(huì)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。對(duì)危險(xiǎn)事件的嚴(yán)重性等級(jí)劃分詳見(jiàn)表3。

表3 危險(xiǎn)后果嚴(yán)重性等級(jí)表Tab.3 Hazard severity scale

3 數(shù)值分析模型的建立

本文應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，模型主要分為兩個(gè)部分，即碼頭平臺(tái)部分和樁基部分，碼頭平臺(tái)采用SOLID65單元對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行整體模擬，平臺(tái)混凝土部分選取W-W破壞準(zhǔn)則，平臺(tái)鋼筋部分選取雙線(xiàn)性模型（BISO）作為其屈服準(zhǔn)則。樁基部分采用SOLID65單元進(jìn)行建模。模型整體用掃略的方式對(duì)全局進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型的樁基表面和底面采用全約束，其余均為自由表面。模型的碼頭平臺(tái)上表面施加堆貨荷載和車(chē)輛荷載，大小為67.7 kN/m2，碼頭前沿兩個(gè)靠船面施加船舶樁基荷載，大小為8.21 kN/m2。具體模型網(wǎng)格劃分情況和荷載施加詳見(jiàn)圖2。

圖2 模型網(wǎng)格劃分與荷載施加圖Fig.2 Model mesh generation and load rendering

4 有限元結(jié)果分析

4.1 碼頭平臺(tái)變形分析

碼頭平臺(tái)總變形云圖如圖3所示，碼頭平臺(tái)Z方向變形云圖如圖4所示，從圖中可知，碼頭平臺(tái)的最大變形部位位于碼頭右側(cè)中部的部位，最大變形0.556 mm。各樁位處的位移幾乎為零，這是由于碼頭平臺(tái)的作用力通過(guò)樁基向下傳遞，左側(cè)平臺(tái)的變形明顯小于右側(cè)平臺(tái)，這是由于左側(cè)樁柱的密度大于右側(cè)樁柱而產(chǎn)生的群樁效應(yīng)，使得樁柱共同承受各向荷載，結(jié)構(gòu)變形較小。通過(guò)比較碼頭平臺(tái)總變形云圖和Z方向變形云圖可以發(fā)現(xiàn)，碼頭結(jié)構(gòu)在Z方向上的云圖輪廓與總變形云圖相近。由此可知，碼頭平面的堆貨荷載為碼頭平臺(tái)主要荷載,船舶撞擊荷載對(duì)碼頭平臺(tái)的變形影響不明顯。

圖3 碼頭平臺(tái)總變形云圖Fig.3 Total deformation nephogram of wharf platform

圖4 碼頭平臺(tái)Z方向變形云圖Fig.4 Deformation nephogram on Z direction of wharf platform

4.2碼頭平臺(tái)應(yīng)力分析

碼頭平臺(tái)的第一主應(yīng)力云圖如圖5所示，碼頭在豎向堆貨荷載和橫向船舶撞擊力共同作用下，碼頭的主要應(yīng)力集中在右側(cè)平臺(tái)中央樁柱的位置處，節(jié)點(diǎn)處的最大荷載為3.35 N，符合工程要求，混凝土不會(huì)被拉潰。樁頭部位存在應(yīng)力分布，大小逐次遞減，這是因?yàn)榇a頭荷載通過(guò)平臺(tái)向樁底傳遞，使樁基承受這些荷載。第一主應(yīng)力基本按照碼頭中央平行與x軸穿過(guò)最大應(yīng)力區(qū)的軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，這條軸線(xiàn)上的應(yīng)力變化曲線(xiàn)圖如圖6所示。

碼頭平臺(tái)的第二主應(yīng)力云圖如圖7所示，第二主應(yīng)力的最大應(yīng)力區(qū)仍然在中央樁柱處，最大的應(yīng)力為3.08 N，周?chē)鸫芜f減，除了樁柱周?chē)鸀檎驊?yīng)力，碼頭面板部位都存在反向應(yīng)力。所有應(yīng)力的大小都在設(shè)計(jì)規(guī)范荷載之內(nèi)。

圖5 碼頭平臺(tái)第一主應(yīng)力云圖Fig.5 First principal stress nephogram of wharf platform

圖6 碼頭主軸方向第一主應(yīng)力曲線(xiàn)圖Fig.6 1st principal stress curve of wharf spindle direction

圖7 碼頭平臺(tái)第二主應(yīng)力云圖Fig.7 2nd principal stress curve of wharf spindle direction

碼頭平臺(tái)的第三主應(yīng)力云圖如圖8所示，第三主應(yīng)力的大小比第一主應(yīng)力與第二主應(yīng)力小很多，基本對(duì)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響。

4.3 碼頭平臺(tái)鋼筋平均等效應(yīng)力分析

碼頭平臺(tái)的鋼筋平均等效應(yīng)力圖如圖9所示，從圖中可以看出，碼頭平臺(tái)上的鋼筋等效應(yīng)力均為360 N。由于樁基施加了約束，鋼筋等效應(yīng)力在樁基部分逐漸減少。對(duì)于平臺(tái)而言，鋼筋等效應(yīng)力分布均勻，鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在結(jié)構(gòu)模擬中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土產(chǎn)生裂紋。

圖8 碼頭平臺(tái)第三主應(yīng)力云圖Fig.8 3rd principal stress curve of wharf spindle direction

圖9 碼頭鋼筋平均等效應(yīng)力等值線(xiàn)圖Fig.9 Isoline of average equivalent stress of reinforced bar in wharf

5 預(yù)先危險(xiǎn)性分析結(jié)果

碼頭工程的建設(shè)中，有許多安全隱患，本文針對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)破壞這一危險(xiǎn)因素，深入分析，得出對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)建設(shè)預(yù)先危險(xiǎn)性分析表。具體預(yù)先危險(xiǎn)性分析詳見(jiàn)表4。

6 結(jié)論

在對(duì)碼頭模型進(jìn)行分析之后，可以得出以下結(jié)論：

表4 碼頭結(jié)構(gòu)建設(shè)預(yù)先危險(xiǎn)性分析表Tab.4 Pre construction risk analysis sheet for wharf structure construction

（1）根據(jù)有限元分析軟件的云圖和鋼筋等效應(yīng)力圖顯示，碼頭平臺(tái)在設(shè)計(jì)荷載作用下只發(fā)生了小變形，并不影響其正常使用。碼頭平臺(tái)的最大應(yīng)力發(fā)生在中央樁柱區(qū)，最大值為3.35 N。

（2）碼頭平臺(tái)在外部荷載作用下，部分應(yīng)力集中在碼頭平臺(tái)與樁柱的結(jié)合部位，應(yīng)對(duì)應(yīng)力較大區(qū)域設(shè)計(jì)樁帽進(jìn)行加固，或采取其他措施對(duì)應(yīng)力區(qū)進(jìn)行加固。

（3）通過(guò)有限元分析結(jié)果對(duì)碼頭平臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行預(yù)先危險(xiǎn)性分析，結(jié)合相關(guān)因素，最終定義該危險(xiǎn)因素的危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，即較為安全的結(jié)構(gòu)。

[1]王元戰(zhàn),賀林林.離岸深水全直樁碼頭承載性能有限元分析[J].海洋工程,2013,31(6):45-52.

[2]王元戰(zhàn),賀林林,王朝陽(yáng).離岸深水全直樁碼頭動(dòng)力簡(jiǎn)化計(jì)算方法研究[J].巖土力學(xué),2014(10):2 969-2 976.

[3]王元戰(zhàn),賀林林.離岸深水全直樁碼頭水平承載力簡(jiǎn)化計(jì)算[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2014(5):14-21.

[4]賀林林,劉 洋,鄧 曉.離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)群樁基礎(chǔ)工作性狀有限元分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,35(5):79-84.

[5]李 峰,賈 湖.基于PHA與FMEA的企業(yè)安全評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(4):136-140.

[6]中華人民共和國(guó)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.

Preliminary Hazard Analysis on All-Vertical-Pilled Wharf’s Structural Failure

ZHUANG Ning,GAO Hua-xi
（School of Port and Transportation Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316002,China）

High-Pile Wharf is the main construction form of wharves in the coastland of Zhejiang Province.It is generally use all straight piles to design and construct the coastal wharf which is in good cover with small wave and impact force.The text starts from project cases,applying System Security Principles and Finite Element Analysis to do the PHA(preliminary hazard analysis)for the structural damage of an irregular terminal platform.Finally come to the conclusion:according to the design requirements,the wharf meets the safety specifications which marked by the unyielding condition of the wharf structure under the design load;the stress of the wharf concentrate in the combining area of the pile and the platform so that measures should be increased appropriately to keep safe;the hazard level of the wharf structure is IV and the wharf system is in safe state.

High-Pile wharf;structural failure;preliminary hazard analysis

U656.1+13

：A

2016-11-20

浙江省自然科學(xué)基金（LY12E09006）

莊寧（1993-），男，浙江寧波人，碩士研究生，研究方向：港口航道與海岸工程.

高華喜.E-mail:240175066@qq.com

1008－830X(2017)01－0042－05