船舶靠泊內(nèi)河大水位差高樁框架碼頭受力分析

龍友立

摘 要：本文針對(duì)西江某內(nèi)河大水位差高樁框架碼頭，采用有限元計(jì)算軟件MIDAS-CIVIL建立空間有限元模型，對(duì)不同水位下船舶靠泊不同位置時(shí)的某高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析，得到了高樁碼頭結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件的位移、彎矩等結(jié)果及其分布規(guī)律。此分析方法及結(jié)果可為同類型碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)使用提供一定參考。

關(guān)鍵詞：大水位差 高樁框架碼頭 船舶靠泊 撞擊力

西江是珠江水系航運(yùn)主干流，為了適應(yīng)西江流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，保證碼頭在不同時(shí)節(jié)不同水位（水位差大于17m）下船舶均能靠泊使用，而防止船舶頻繁靠泊對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)造成破壞，其最基本的手段就是要求船舶按規(guī)范靠泊的同時(shí)使結(jié)構(gòu)具有一定的防撞能力。這就要求在設(shè)計(jì)階段對(duì)各種作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)和采取合理的防范措施，并對(duì)碼頭的使用運(yùn)營(yíng)提出相應(yīng)要求。本文以某高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)為例，通過有限元計(jì)算軟件MIDASCIVIL建立空間模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)不同水位不同撞擊力作用下的碼頭結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，此分析方法和結(jié)果可為同類型碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)使用提供一定參考。

1.分析計(jì)算方法

隨著高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外用于高樁碼頭結(jié)構(gòu)分析的方法主要分為平面計(jì)算方法、空間計(jì)算方法和物理模型試驗(yàn)方法。

當(dāng)碼頭縱橫向剛度比較接近時(shí)，且結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)空間特性較為顯著時(shí)，碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力宜按空間計(jì)算更為合理。

高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)受力具有空間特性。按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算框架碼頭結(jié)構(gòu)，其計(jì)算過程可采用矩陣位移法、有限單元法或有限差分法。有限單元法是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，用矩陣進(jìn)行推演，用計(jì)算機(jī)程序作數(shù)值解算，是求解各領(lǐng)域數(shù)理方程的一種通用的近似方法。現(xiàn)有的有限元結(jié)構(gòu)分析程序，如SAP2000、Midas Civil、Ansys、ABAQUS等軟件是國(guó)內(nèi)外都公認(rèn)的通用結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件，本文通過有限元計(jì)算軟件MIDAS-CIVIL建立空間模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2.工程概況

本文選取西江某電廠高樁框架碼頭的其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段（長(zhǎng)55.8m，寬22m）進(jìn)行建模分析。

碼頭基礎(chǔ)采用D1300mm鉆孔灌注樁（嵌巖樁），持力層為中風(fēng)化巖層，底高程為-38m。排架間距為7.5m，每個(gè)排架布置4根樁。

上部結(jié)構(gòu)采用適應(yīng)大水位差的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架分為4層，全部采用現(xiàn)澆工藝；碼頭系纜設(shè)施采用550kN系船柱；防護(hù)設(shè)施選用DAA400H2000L型橡膠護(hù)舷，間隔布置，間距為2200mm；碼頭前后軌道梁中心距為12m；具體詳見圖1。

3.有限元計(jì)算模型

根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)型式和力學(xué)特點(diǎn)，可將其簡(jiǎn)化為桿件系統(tǒng)建立碼頭排架的有限元模型。結(jié)合《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS 167-1-2010）和有限元分析的原理，采用MIDASCIVIL有限元軟件對(duì)全直樁框架碼頭進(jìn)行計(jì)算，基樁與樁帽間為嵌固連接，根據(jù)嵌固點(diǎn)確定基樁的計(jì)算長(zhǎng)度，樁端固結(jié)約束所有自由度?；炷恋膹椥阅Ａ咳?.25*104Mpa，泊松比取0.2。

3.1碼頭排架的作用荷載與效用分析

碼頭排架的永久作用包括結(jié)構(gòu)自重和傳遞給橫梁的面板自重，鋼筋混凝土重度按25.0kN/m3計(jì)算?？勺冏饔冒ù跋道|力、船舶撞擊力、碼頭面均布荷載、碼頭面流動(dòng)機(jī)械荷載和移動(dòng)式卸船機(jī)荷載。本文僅論證分析在不同水位不同船舶撞擊力作用下碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況，故其作用具體荷載如下：

（1）均載： q=20kN/m2。

（2）船舶撞擊力

按靠泊速度0.20m/s計(jì)算，船舶撞擊力為830kN。

3.2荷載作用組合

本文僅論證分析在不同水位不同船舶撞擊力作用下碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況，故荷載作用工況主要為正常使用期的工況，即相同的其他荷載作用+不同的船舶撞擊力作用。將船舶撞擊力分為四種，即：

（1）撞擊力01：設(shè)計(jì)高水位時(shí)作用在碼頭端部；

（2）撞擊力02：設(shè)計(jì)高水位時(shí)作用在碼頭中部；

（3）撞擊力03：設(shè)計(jì)低水位時(shí)作用在碼頭端部；

（4）撞擊力04：設(shè)計(jì)低水位時(shí)作用在碼頭中部。

故荷載作用與作用效應(yīng)組合詳見表1。

3.3有限元模型的建立

為了較準(zhǔn)確的模擬框架碼頭結(jié)構(gòu)的剛度及質(zhì)量分布，模型采用板單元模擬碼頭面板結(jié)構(gòu)，采用梁?jiǎn)卧M灌注樁基礎(chǔ)和上部框架結(jié)構(gòu)。碼頭面上的附加質(zhì)量則采用質(zhì)量單元模擬。最終通過MIDAS-CIVIL軟件得到此碼頭結(jié)構(gòu)的有限元分析模型如圖2所示。

4.模型計(jì)算分析

本文通過MIDAS-CIVIL計(jì)算軟件采用不同荷載作用效應(yīng)對(duì)框架碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行計(jì)算，得到此結(jié)構(gòu)段基樁及梁的軸力、彎矩和位移結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知，在船舶撞擊力作用下，此高樁框架結(jié)構(gòu)的碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移均較小，彎矩、位移最大值位于碼頭結(jié)構(gòu)的兩端，彎矩值從大到小依次為組合三（1972kN*m）﹥組合四（1758k N*m） ﹥組合一（1556kN*m） ﹥組合二（1501kN*m）。

由于高樁框架碼頭整體結(jié)構(gòu)剛度高，灌注樁抗彎承載能力強(qiáng)，船舶撞擊力作用下各灌注樁的彎矩分布較為均勻，每根灌注樁均能充分發(fā)揮其抗彎能力。因此，高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)比較適宜用于水位差較大的碼頭工程。

5.結(jié)語(yǔ)

本文以西江某電廠高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)為例，通過有限元計(jì)算軟件MIDAS-CIVIL進(jìn)行計(jì)算，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)在不同船舶撞擊力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，船舶撞擊力作用下：

（1）船舶撞擊力作用于結(jié)構(gòu)段端部時(shí)位移最大；作用于結(jié)構(gòu)段中間部位時(shí)，位移、彎矩均比作用于端部時(shí)小。作用位置由結(jié)構(gòu)段端部向結(jié)構(gòu)段中部，受力的均勻性越來(lái)越大；

（2）對(duì)高樁框架碼頭，船舶撞擊力作用下，水位越低，灌注樁彎矩最大值則越大；

（3）碼頭樁頂彎矩較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)樁與上部結(jié)構(gòu)連接處的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)；

（4）高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)比較適宜用于水位差較大的內(nèi)河碼頭工程，運(yùn)營(yíng)使用過程中應(yīng)要求船舶按規(guī)范靠泊，盡量讓船舶?？颗c碼頭的中部位置。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒智，王多垠，石興勇，等.框架碼頭樁基結(jié)構(gòu)在不同水位船舶撞擊力作用下的受力分析.港工技術(shù)，2013（2）：27-31.

[2]JTS 167-1-2010.高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范.北京：人民交通出版社，2010.

[3]JTS 144-1-2010.港口工程荷載規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2010.

[4]張毅文.高樁碼頭的空間性對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響分析.天津：天津大學(xué)，2014.