淺談樁基—重力式復合結(jié)構在深水碼頭中的應用

賀飛

摘 要：隨著現(xiàn)代航運事業(yè)不斷向著規(guī)?；⒉次簧钏目焖侔l(fā)展，碼頭工程建設設計需要挑戰(zhàn)來自惡劣自然條件、深水環(huán)境等各方面因素，以往建設的碼頭結(jié)構形式也面臨著生產(chǎn)需求的淘汰?？梢姡鯓油ㄟ^科學合理的碼頭結(jié)構型式設計，來調(diào)整離岸、開敞、深水作業(yè)等要求逐步成為當前碼頭水工結(jié)構建設需要亟待解決的問題。本課題通過調(diào)研國內(nèi)外碼頭水工結(jié)構的前沿信息，提出了現(xiàn)代化的樁基-重力式復合結(jié)構形式，并運用傳統(tǒng)計算原理和ANSYS結(jié)構模型，對其抗傾抗滑穩(wěn)定性、抗傾穩(wěn)定性、基床承載力、組合樁承載力和節(jié)點強度等內(nèi)容進行了計算，并給出了的施工順序。本文的研究展現(xiàn)了樁基重力式碼頭水工結(jié)構在深水作業(yè)條件下的適用性。

關鍵詞：ANSYS 深水碼頭 樁基 復合結(jié)構

隨著傳統(tǒng)碼頭岸線資源的不斷枯竭與現(xiàn)代船舶規(guī)?；囊螅涌齑a頭結(jié)構的深水化發(fā)展不斷成為現(xiàn)代碼頭工程建設的重要方向。新型樁基-重力式復合碼頭結(jié)構形式不但能夠繼承傳統(tǒng)碼頭結(jié)構的優(yōu)勢，還可以適應現(xiàn)代深水作業(yè)條件的要求，不斷成為我國碼頭工程建設研究的重要課題之一。本文通過某實際外海深水碼頭結(jié)構的工程建設應用研究，并建立有限元模型分析，驗證其了適用性。

1.工程建設概況

南方某沿海地區(qū)包括三個深水港口航運區(qū)。由于建設年代久遠，面臨的淤積問題、泊位數(shù)量問題等很長時間內(nèi)難以找到良好的解決方案，并不斷影響到該地區(qū)航運的正常運行。此外，大量的船舶泊位受限、碼頭噸位基本低，都嚴重影響了現(xiàn)代的需求，因此，該地區(qū)規(guī)劃建設新港口噸位達到30萬的港口碼頭工程。

水深問題是該是30萬t碼頭要解決的重要問題之一，該建設區(qū)域所處的水深環(huán)境、碼頭選煉廠廠址等是該工程設計的主要考慮問題，新建碼頭選址處于水深條件較好的深水區(qū)，該區(qū)域的-20m等深線范圍距離岸邊的距離不到2公里，比較適合貨物運輸。新建碼頭的整體呈現(xiàn)出“蝶”字形式，總長度為達到450m，其碼頭面標高達到9.0m，其前沿水深達到-24.8m。碼頭整體布置有工作平臺一個、靠船墩兩個。新建碼頭所在區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境良好，巖面埋藏深度較小。僅從地質(zhì)環(huán)境方面來看，該碼頭比價符合選取樁基-重力式碼頭結(jié)構體系。

2 .樁基-重力式復合結(jié)構計算和ANSYS模型建立

2.1計算內(nèi)容與原理

關于樁基-重力式復合結(jié)構水工結(jié)構的計算，國內(nèi)外工程實踐中主要控制內(nèi)容包括：結(jié)構體系的抗傾驗算、抗滑移驗算、結(jié)構整體穩(wěn)定性驗算、基床承載性能驗算、下部結(jié)構承載性能驗算、連接節(jié)點驗算、樁基整體強度驗算等內(nèi)容。新型結(jié)構體系的主要構件如沉箱、砼承臺、鋼管砼樁等的計算要求和指標與傳統(tǒng)鋼筋砼結(jié)構體系的計算控制指標相同。主要控制計算原理如下：

（3）基床承載力計算

關于基床的承載性能計算可以參考現(xiàn)行重力式碼頭設計與施工規(guī)程之中的計算方法進行計算，公式為：

（4）鋼管混凝土組合樁的計算鋼管砼預應力樁的計算參考傳統(tǒng)鋼筋砼解耦股計算原理。

（5）樁基與沉箱的節(jié)點強度的計算

關于樁基和沉箱基礎的節(jié)點驗算，是該工程類型碼頭結(jié)構體系的關鍵部位之一。目前水工結(jié)構類規(guī)范并沒有制定特別的計算方式與構造方式，工程實踐中大多數(shù)選取端部加固或埋入等方式來實現(xiàn)。具體如圖1所示。

2.2主體水工結(jié)構ANSYS建模

（1）實體單元的選取

根據(jù)該樁基-重力式復合結(jié)構體系的特點，該工程運用有限元模擬軟件 ANSYS來完成該解耦股的建模。由于該碼頭水工結(jié)構有多重材料構成，為達到結(jié)構實際受力和應變特點，該結(jié)構選取三維單元模型進行模擬和分析。

由于水工主體結(jié)構選取的是復合鋼筋砼材料，根據(jù)有限元模擬的特點，該結(jié)構中選取solid65單元進行港口碼頭水工結(jié)構模擬。有限元分析內(nèi)容主要包括下部結(jié)構的應變、鋼管砼柱受力特性等；對于鋼管所用的鋼材和沉箱外部結(jié)構，選用solid45實體單元進行模擬；對于桿件和支撐體系，該結(jié)構中選取link08 進行模擬；關于接觸問題，如鋼管與砼之間的接觸，該項目選用彈簧單元進行模擬。

（2）水工結(jié)構建模步驟和結(jié)果分析

①實體模型的建立

該主體結(jié)構建模首先使用CAD軟件做出線框模型，并運用ANSYS軟件所給出的接口將其導入，實現(xiàn)實體單volume建模。

②網(wǎng)格劃分

由于該結(jié)構整體體積較大，因此選用自由劃分，網(wǎng)格長度為1.0m。該課題運建立的ANSYS有限元結(jié)構模型見圖2所示。

2.3計算結(jié)果分析對比

結(jié)構計算內(nèi)容主要包括 工作平臺、靠船墩、引橋、系纜等部分。驗算內(nèi)容主要包括結(jié)構的抗滑移力大小、抗傾覆力矩、基床頂面應力等內(nèi)容。通過對主要指標的運算，能夠展現(xiàn)出了樁基—重力式符合結(jié)構體系的良好承載性能。

通過運算發(fā)現(xiàn)，該新建碼頭工程在靠船墩、系纜墩等部分的抗傾穩(wěn)定性方面，要比其他結(jié)構大1.2倍，相比重力式結(jié)構體系也增加了8%左右；其抗滑穩(wěn)定系數(shù)方面，也能達到規(guī)范的要求。對于結(jié)構的引橋墩的抗傾穩(wěn)定性方面，該結(jié)構的系數(shù)超出傳統(tǒng)重力式的增加了45%左右。

通過有限元分析結(jié)構能夠看出，運用樁基-重力式結(jié)構體系，能夠有效解決港口碼頭工程建設所面臨的深水、大跨度、不均勻沉降等問題。對于傳統(tǒng)碼頭安裝與使用過程之中，經(jīng)常出現(xiàn)傾斜問題，導致后期安裝的糾偏困難和使用功能難以實現(xiàn)等問題，必須通過合理的設計和施工安裝計算來實現(xiàn)。

3.施工特點和主要工序

3.1施工特點

通常深水碼頭選用的水工結(jié)構形式包括許多種，由于工程量較大，并受到復雜海域環(huán)境的影響，導致樁基—重力式符合結(jié)構的施工難度較大。

該結(jié)構形式碼頭施工現(xiàn)場對場地的要求比較嚴格，通常會準備比較大的預制場地來進行變截面的沉箱、管樁來安裝，施工過程需借助大型船只設備來配合完成。該工程施工需要結(jié)合工期要求，對于施工船機、人員配置與項目組織管理等方面，該復合結(jié)構體系提出了較高的要求。

3.2施工順序

由于該碼頭選用的樁基-重力式復合水工結(jié)構體系，在設計和施工方面的特殊性，要求必須采取科學的施工工序來建設，具體如下：

樁基—重力式碼頭結(jié)構的施工準備→樁基工程施工→預制基礎結(jié)構吊裝→地基處理和基床施工→基床拋石與平整處理→半潛駁出運復合結(jié)構體系施工，協(xié)調(diào)浮吊結(jié)構安裝→水下部分基礎施工→鋼管砼主體結(jié)構的承臺部分澆筑施工→附屬構件的安裝施工。

4.結(jié)論

當前國內(nèi)關于樁基-重力式復合結(jié)構體系的碼頭工程建設案例還比較少，本文借助國內(nèi)實際工程案例，對新型樁基-重力式深水碼頭結(jié)構，本文通過ANSYS有限元軟件，對結(jié)構的抗滑移穩(wěn)定性、結(jié)構整體穩(wěn)定性、傾覆力矩等進行了分析，驗證了其適用性。同時本文還給出了新型結(jié)構體系的具體施工流程和施工注意事項進行了探討，希望本文的研究，能夠為類似碼頭水工結(jié)構的設計和施工提供指導和參考。

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