沉箱底板結構的有限元計算分析

徐軍+魏志民

摘 要：采用ABAQUS有限元方法，對長寬比較大的沉箱的底板受力進行了計算，所得結果與規(guī)范方法進行了比較分析。計算表明，長邊較長的沉箱底板的應力分布仍較好滿足規(guī)范線性分布的假定；基頂應力在隔墻附近局部出現(xiàn)非線性特征從而導致支座剪力比規(guī)范算法偏大，工程中應引起重視。

關鍵詞：ABAQUS 底板強度 非線性 支座剪力

1.前言

重力式碼頭是我國分布較廣、使用較多的一種碼頭結構形式。近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，港口建設的速度和規(guī)模也逐漸增大，目前在建和建成的大型碼頭工程，有很大一部分是采用重力式沉箱結構。船舶的尺度及噸位逐漸加大，對碼頭的水深要求越來越高，作為重力式沉箱碼頭的主體構件，矩形沉箱的尺寸也在不斷加大。而隨著水深的加大，沉箱所受的水平荷載增加的較多，為了維持沉箱的穩(wěn)定，勢必要增加沉箱的垂直荷重，從而使得沉箱的地基反力既大且更不均勻。在大噸級碼頭設計中經(jīng)常會出現(xiàn)沉箱底板混凝土抗剪能力不足的現(xiàn)象，即大噸級沉箱底板的抗彎及抗剪能力的要求更高了。

本文以某10萬噸級重力式海港碼頭為案例，采用ABAQUS有限元分析的方法，對其底板應力及內(nèi)力進行計算，并與規(guī)范計算方法的計算結果進行對比分析。

2、工程實例計算與分析

某10萬噸級重力式海港碼頭，前沿水深-16.2m，沉箱高18.0m，平面尺寸為30.20m×16.5m，底板厚0.6m，前后墻0.45m，前后趾長1.1m。沉箱設計為6×3倉格，倉格回填中粗砂，外海側(cè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋浪墻，內(nèi)海側(cè)現(xiàn)澆混凝土胸墻。如圖1所示。

鑒于沉箱長邊較長，在外荷載作用下底板的應力分布是否能滿足規(guī)范假定的線性分布，有必要通過有限元軟件進一步分析確定。

采用ABAQUS通用有限元軟件對沉箱進行建模，其中沉箱結構的前后墻、側(cè)墻、縱橫隔墻、底板等均采用板單元。拋石基床與沉箱底板的相互作用采用彈性地基模擬，為反應地基軟硬的影響，彈性地基系數(shù)分別取硬地基9000kN/m3；軟地基5000kN/m3。

荷載作用考慮自重、波浪力、貯倉壓力、門機非工作荷載等，且都采用了標準值。從基頂應力結果可看出，ABAQUS計算對地基彈性系數(shù)不敏感，10000kN/m3的硬地基及6000kN/m3的軟地基得到的應力結果差異不明顯，此結果與規(guī)范的計算方法相吻合。

對于本工程沉箱，在荷載作用下基頂應力基本呈線性分布。由此可知，即使本工程沉箱底板長邊較長，但是由于底板厚度適中，內(nèi)部隔墻的內(nèi)撐作用，以及倉格填料的影響，沉箱整體剛度仍保持較好，ABAQUS計算結果與規(guī)范算法吻合較好。

基頂應力在隔墻處有一定的變化，局部呈現(xiàn)出非線性特征，此特征在規(guī)范算法中無反應。簡單分析可知，底板在受到由下而上的基頂反力時，隔墻處豎向剛度較大形成了支座效應，從而導致隔墻處的底板應變較大，因此底板在隔墻處應該有較大的支座剪力及彎矩，計算時應詳細分析。

如圖2、圖3所示，提取了有限元計算的底板剪力；圖4、圖5提取了有限元計算的底板彎矩。

為了對比有限元計算結果，這里給出了規(guī)范算法的底板剪力、彎矩標準值的計算結果，如表1所示。

由表1可見，對支座彎矩而言，有限元計算結果比規(guī)范標準值略小，規(guī)范計算結果偏安全。由于有限元彎矩結果中的應力集中相對較小，支座彎矩在倉格縱橫兩個方向的分配基本滿足縱橫倉格寬度平方的反比的關系。對跨中彎矩而言，有限元計算結果比規(guī)范標準值偏大，規(guī)范計算結果偏危險。

對支座剪力而言，有限元計算標準值比規(guī)范標準值縱橫向偏大，規(guī)范計算結果偏危險。此外有限元計算的支座剪力由于存在著比較明顯的應力集中，支座剪力在倉格縱橫兩個方向的分配不太滿足縱橫倉格寬度三次方的反比的關系，本工程有限元計算結果橫向剪力仍比較大。

3、結論

（1）本工程沉箱在縱橫隔墻和填料的共同作用下，整體剛度仍保持較好，基頂應力計算結果總體呈線性分布，與規(guī)范算法吻合較好；

（2）基頂應力在隔墻局部呈現(xiàn)出非線性特征；

（3）有限元計算的支座剪力由于存在著比較明顯的應力集中，計算結果比規(guī)范算法偏大，設計時應重視沉箱支座剪力驗算。

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