水流力對某山區(qū)河流高樁碼頭的作用效應(yīng)分析

王勇釗

文章以紅水河某高樁板梁式碼頭為例，利用Midas Civil三維有限元軟件分析水流力對該高樁碼頭的作用效應(yīng)，探討在山區(qū)河流高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮水流力的重要性，并提出設(shè)計時須重視水流力對山區(qū)河流高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全的影響。

水流力;山區(qū)河流;高樁碼頭;有限單元法;空間模型

U656.1+13.02-A-49-176-3

0?引言

山區(qū)河流水文條件有水位變動大、水位差大、水流速度大等特點。在廣西區(qū)內(nèi)，尤其是紅水河，水位隨季節(jié)變動很大，水位變動差最大達到20 m，且在洪水期水流湍急，流速達到3 m/s左右?；谶@些因素，建設(shè)在內(nèi)河上的高樁板梁式碼頭高度高，水流力大。水流力是內(nèi)河墩式碼頭及其他透空式碼頭需考慮的設(shè)計荷載，一些外海建筑物當水流速度較大時，也需考慮水流力的作用[1]。在傳統(tǒng)的高樁碼頭結(jié)構(gòu)受力分析中，通常將碼頭簡化為平面排架計算，這往往會對水流力作用考慮得不夠充分，造成碼頭在使用期出現(xiàn)較大位移，影響碼頭的安全使用和壽命。因此，利用有限單元法對水流力作用下的高樁碼頭進行研究，有一定的現(xiàn)實意義。

Midas Civil是通用的空間有限元分析軟件，可適用于橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑、飛機場、大壩、港口等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計[2]。Midas Civil軟件具有專業(yè)針對性強、靈活性好、用戶界面直觀等優(yōu)點。本文利用Midas Civil軟件建立有限元模型進行分析，能準確地模擬碼頭受力情況。

1?工程概況

1.1?項目概述

項目位于紅水河流域來賓段，建設(shè)規(guī)模為新建500噸級件雜貨泊位和散貨泊位各1個，水工結(jié)構(gòu)滿足1 000噸級船舶?？?。碼頭順岸布置。碼頭采用高樁框架式結(jié)構(gòu)，為全直樁結(jié)構(gòu)，設(shè)計使用年限為50 年。

碼頭設(shè)計高水位為105.45 m（三年一遇），設(shè)計低水位為82.0 m。設(shè)計高水位時水流設(shè)計流速為3.0 m/s。

1.2?高樁碼頭主尺寸

碼頭平臺長113.0 m，寬34.4 m，碼頭面高程為107.0 m，前沿泥面高程為78.5 m。碼頭分成3個結(jié)構(gòu)段，分段長度分別為37.9 m、36.0 m、39.1 m。高樁框架結(jié)構(gòu)的面板、縱梁、橫梁、連系梁、柱子、樁基等構(gòu)件混凝土等級均為C30，全部采用現(xiàn)澆施工工藝。

樁基采用沖孔灌注樁，共布置由河側(cè)至陸域側(cè)A～D共4排13列樁，橫向樁間距為3×10.5 m，縱向樁間距為12×9.0 m，樁直徑為1.5 m。樁基嵌入較完整灰?guī)r深度≥4.5 m。

樁、軌道梁、橫梁、縱梁、面板整體現(xiàn)澆。

碼頭結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

2?建模分析

2.1?有限元模型

在傳統(tǒng)的高樁碼頭結(jié)構(gòu)受力分析中，通常將碼頭簡化為橫向平面排架、縱向連續(xù)梁按平面計算，這往往會對水流力作用考慮得不夠充分，造成碼頭樁基、柱、橫向聯(lián)系梁等設(shè)計時考慮不周全，在使用期出現(xiàn)較大縱向位移，影響碼頭的安全使用和壽命。因此，利用軟件建立三維有限單元模型對水流力作用下的高樁碼頭進行研究，有一定的現(xiàn)實意義。

本項目采用有限元軟件Midas Civil進行三維建模分析。碼頭橫向長度為34.9 m，縱向取其中一個結(jié)構(gòu)段進行分析，即縱向長度為36.0 m。碼頭為全直樁結(jié)構(gòu)，樁與梁連接均為固結(jié)。建模時，碼頭橫向?qū)?yīng)軟件全局坐標系X向，縱向?qū)?yīng)Y向，豎向?qū)?yīng)Z向。

碼頭按空間結(jié)構(gòu)模型計算內(nèi)力時，以計算樁的內(nèi)力為目的時，面板可按薄殼單元考慮，縱梁、橫梁及樁均可按梁單元考慮[3]。碼頭樁基、柱、縱橫梁、軌道梁等采用梁單元，面板采用板單元。

項目所在地基巖埋藏較淺，樁底按嵌巖樁考慮。在水平力作用下，覆蓋層考慮地基土的側(cè)向約束作用，計算方法按m法處理。在Midas Civil軟件中以節(jié)點彈性支撐模擬。

模型建立如圖2所示。

2.2?荷載情況

本文主要探討縱向水流力作用下的作用效應(yīng)，碼頭縱向考慮水流力作用。

碼頭橫向受船舶撞擊力、系纜力、擠靠力等影響。本項目中，撞擊力最大且最具代表性。為了與縱向效應(yīng)對比，本次計算考慮撞擊力作用下的橫向效應(yīng)。

豎向荷載主要為結(jié)構(gòu)恒載。

2.2.1?恒載

恒載主要為建筑物自身重力和位于建筑物上固定設(shè)備的重力。其中，建筑物自身重力由軟件根據(jù)結(jié)構(gòu)考慮，固定設(shè)備重力根據(jù)設(shè)備實際情況施加荷載。

2.2.2?撞擊力

本碼頭按可靠泊1 000噸級船舶設(shè)計，故撞擊能量計算時，船舶取1 000噸級船舶，船舶靠岸法向靠船速度取0.3 m/s，算得船舶撞擊能量為56.88 kJ，選用SA（DA-A）400H標準反力型橡膠護舷，撞擊力查得為413 kN。

2.2.3?水流力

作用于港口工程結(jié)構(gòu)上的水流力標準值應(yīng)按下式計算[4]：

F?w=C?wρ2V2A（1）

式中：

F?w——水流力標準值（kN）;

C?w——水流阻力系數(shù);

ρ——水密度（t/m3），淡水取1.0，海水取1.025;

V——水流設(shè)計流速（m/s）;

A——計算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積（m2）。

其中設(shè)計流速可采用港口工程結(jié)構(gòu)所處范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大平均流速，也可根據(jù)相應(yīng)表面流速推算。本工程水流設(shè)計流速在設(shè)計高水位時取3.0 m/s。

從水流力計算公式可看出，影響水流力大小的主要因素為水流阻力系數(shù)、流速及構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積。其中設(shè)計流速是水文條件決定的，不可改變。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)從改變水流阻力系數(shù)和構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積這兩個因素出發(fā)，盡量減少水流力對結(jié)構(gòu)的影響。

水流阻力系數(shù)與構(gòu)件的形狀相關(guān)。以墩柱為例，正方形墩柱水流阻力系數(shù)為1.50，圓形水流阻力系數(shù)為0.73，圓形水流阻力系數(shù)不到正方形的一半，構(gòu)件在同樣條件下受到的水流力相應(yīng)減小一半有余?？梢?，在設(shè)計時合理選用構(gòu)件截面，對減少水流力有很大貢獻。水流阻力系數(shù)還應(yīng)根據(jù)遮流影響系數(shù)、淹沒深度影響系數(shù)、水深影響系數(shù)、橫向影響系數(shù)等進行修正。

本碼頭順岸布置，構(gòu)件與流向垂直?？紤]各系數(shù)修正后主要構(gòu)件在設(shè)計高水位時受到的水流力如表1所示。

2.3?結(jié)果分析

結(jié)果分析主要分為內(nèi)力結(jié)果分析及位移結(jié)果分析。通過計算船舶撞擊力下碼頭橫向受力位移情況及水流力下碼頭縱向受力位移情況，做出對比分析。由于篇幅有限，本次分析僅取樁基作為分析對象。

樁基內(nèi)力、位移計算結(jié)果見表2～3。

樁基彎矩在僅考慮橫向作用及同時考慮橫、縱向作用下的對比如表4所示。

表2～4結(jié)果表明，樁基礎(chǔ)在水流力作用下的縱向內(nèi)力、位移遠比僅考慮船舶橫向撞擊力作用下的內(nèi)力、位移要大。在本項目水文條件下，如果僅按平面橫向排架計算橫向效應(yīng)，不考慮縱向作用，計算結(jié)果會與實際情況相差很大。所以，在高樁碼頭設(shè)計中，尤其在山區(qū)河流高樁碼頭設(shè)計中，應(yīng)特別重視水流力對碼頭的作用，在極端情況下，水流力甚至是碼頭設(shè)計的控制荷載。

3?問題建議

目前，廣西區(qū)內(nèi)建成的部分高樁板梁式碼頭有一個特點：為了增加碼頭橫向剛度，同時為了兼顧船舶靠岸，前沿立柱通常截面做得很大。這會使得結(jié)構(gòu)迎水面隨之增大，在水流平緩地區(qū)對結(jié)構(gòu)安全影響不大，可采用結(jié)構(gòu)措施解決安全問題，而在山區(qū)河流區(qū)域，則需謹慎對待。筆者建議應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用如框架式靠船構(gòu)件，以減小水流力對結(jié)構(gòu)的不利影響。

4?結(jié)語

（1）在山區(qū)河流中建設(shè)高樁碼頭，基于山區(qū)河流水位變動大、水位差大、水流速度大等特點，在設(shè)計時，除

考慮常規(guī)的荷載外，必須重視水流力的不利作用。尤其在洪水期，水流湍急，部分碼頭甚至被淹沒，在設(shè)計時必須考慮這種極端情況下的結(jié)構(gòu)安全。

（2）山區(qū)河流高樁碼頭設(shè)計時，應(yīng)盡量優(yōu)化構(gòu)件斷面，減小構(gòu)件迎水面積;使用阻水系數(shù)小的構(gòu)件（如采用圓柱取代方柱），以減小水流力對碼頭的不利影響。

（3）在高樁碼頭結(jié)構(gòu)計算中，相比于常規(guī)按縱向、橫向兩個平面計算的方法，三維有限元軟件建模計算更具優(yōu)勢，且計算結(jié)果可靠，筆者認為值得予以推廣使用。

參考文獻：

[1]韓理安.港口水工建筑物（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]葛俊穎.橋梁工程軟件 Midas Civil使用指南[M]北京：人民交通出版社，2013.

[3]JTS167-2018，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]JTS 144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范[S].