基于有限元法的重力式碼頭前沿穩(wěn)定性分析

趙冬冬

【摘 要】傳統(tǒng)的重力式碼頭前沿穩(wěn)定性計算主要采用《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》中的極限平衡法計算。論文通過分析重力式碼頭基礎(chǔ)構(gòu)造，采取有限單元法來對重力式碼頭進行了自身穩(wěn)定性的結(jié)果分析，表明有限元在重力式碼頭前沿穩(wěn)定性分析問題是可行的。

【Abstract】 The traditional gravity terminal stability calculation is mainly calculated by the limit equilibrium method in "Code for Fesign and Construction of Gravity Wharf". In this paper， the finite element method is used to analyze the stability of the gravity wharf. It is proved that the finite element method is feasible in the stability analysis of gravity terminal.

【關(guān)鍵詞】重力式碼頭；穩(wěn)定性；有限元法

【Keywords】gravity wharf； stability； finite element method

【中圖分類號】U226 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0189-02

1 引言

重力式碼頭主要依靠自身重量和其上部的填料的重量來抵抗后方產(chǎn)生的土壓力，防止建筑物的滑動和傾覆。隨著國家貨運量的增大，重力式碼頭前水深要求不斷加深，碼頭結(jié)構(gòu)增大，對地質(zhì)要求也越來越高，但現(xiàn)實中大多數(shù)海岸地質(zhì)往往存在軟弱夾層、破碎帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象，因此對重力式碼頭結(jié)構(gòu)形式和基礎(chǔ)處理方式的選擇，不僅關(guān)系到設(shè)計施工的難度，同樣影響到建設(shè)費用投資和后期碼頭的發(fā)展。另外碼頭在運營管理過程中，了解碼頭能承擔(dān)多大的超載荷載及這些荷載需要距離碼頭前沿多遠(yuǎn)的距離的參數(shù)，對碼頭是否能夠安全的運營是非常有必要的。[1]

傳統(tǒng)重力式碼頭設(shè)計及后期荷載穩(wěn)定的驗算采用極限承載力方法完成，碼頭岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)需要通過多次的試算，同時無法事前知道滑動免得位置，要利用多種滑移邊坡條件繪制滑移面和安全系數(shù)的曲線來查找。同時極限承載力采用一種理想的假設(shè)，無法考慮應(yīng)變對應(yīng)力的影響，為保證結(jié)構(gòu)安全，往往計算偏于保守。為能夠更加精準(zhǔn)的得到重力式碼頭穩(wěn)定數(shù)據(jù)，本文提議可以采用建立有限元模型計算的方法。有限元可以對不同的介質(zhì)進行節(jié)點分解，考慮了各節(jié)點應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，同時有限元計算適應(yīng)任何形狀結(jié)構(gòu)，建立相關(guān)的有限元模型，利用有限元軟件強大的處理功能，能夠計算包括沉箱結(jié)構(gòu)慣性力標(biāo)準(zhǔn)值、動水壓力標(biāo)準(zhǔn)值、加速度系數(shù)分布曲線，抗傾和抗滑穩(wěn)定驗算等，使得重力式碼頭穩(wěn)定性的計算變得準(zhǔn)確化、簡單化、智能化。[2]

2 重力式碼頭滑動的原因

由于重力式碼頭是依靠重力式抵抗后方土壓力或是上部荷載傳遞的土壓力，當(dāng)上部荷載距離碼頭前沿距離過近，且該荷載傳遞給碼頭后方的土壓力，形成后方土體對前方碼頭擠壓力超過結(jié)構(gòu)自重的抗力時，碼頭產(chǎn)生向外傾斜或滑移。

3 有限元法的基本原理

有限元法的原理就是將一個連續(xù)體結(jié)構(gòu)離散成有限個單元體，這些單元體在節(jié)點處相互鉸結(jié)，把荷載簡化到節(jié)點上，采用基礎(chǔ)力學(xué)和特定的物理結(jié)構(gòu)去構(gòu)造相對應(yīng)的方程組，方程組是由位移跟力的關(guān)系來組建的。然后對這個非線性方程組采用增量法、迭代法及混合法進行求解之后，求出各項所的值。有限元節(jié)點的位移作為基礎(chǔ)的變量，當(dāng)單元劃分得足夠密時，它與真實解是接近的。有限元有一個很突出的優(yōu)點就是它使用了我們熟知的數(shù)學(xué)上的矩陣?yán)碚?。有限單元的原理示意圖如下圖2所示。[3，4]

4 重力式碼頭穩(wěn)定性計算例子

重力式A碼頭后方設(shè)置一個沉箱預(yù)制場 ，預(yù)制沉箱重約450噸，利用330噸臺車運輸至碼頭前沿，臺車出運沉箱時輪壓78Kpa/m2，但碼頭前沿設(shè)計壓力為30 Kpa/m2，600t起重船駐位在碼頭外吊裝450噸沉箱需要沉箱移至A碼頭前沿30m范圍內(nèi)，需要核算A碼頭上部荷載加大時，能否安全穩(wěn)定。

荷載作用采用持久組合：（不同水位）結(jié)構(gòu)均載+（不同水位）土壓力荷載+臺車輪壓均載。

取兩個沉箱位建立有限元模型，上面為胸墻，后方拋石棱體及回填沙土。對于基礎(chǔ)邊界條件設(shè)置，深度超過拋石基床，進入天然地基內(nèi)5m，沉箱及胸墻和兩側(cè)結(jié)構(gòu)段邊界條件考慮到沉降縫的存在，設(shè)定自由約束，后方棱體等設(shè)定為對稱約束，地基四周及底部采用固定約束 ，采用 ANSYS 有限元軟件進行模擬計算，得出作用在沉箱碼頭底部的作用力和沉箱前趾部位抗傾覆力矩。

根據(jù)計算結(jié)果滿足以上兩個公式，臺車運輸沉箱時可以移運至前沿30m范圍內(nèi)，安全符合規(guī)范要求。[5，6]

5 結(jié)論

通過重力式碼頭滑移原理和有限性計算原理分析，結(jié)合實際重力式碼頭穩(wěn)定性計算和實際實踐，有限元法能夠用來計算重力式碼頭穩(wěn)定性，與傳統(tǒng)的規(guī)范計算方法相比，有限元法在重力式碼頭穩(wěn)定性計算過程更簡便 、計算結(jié)果也更精確。

【參考文獻】

【1】周早生，錢七虎，朱大勇.土體主動滑動場及主動土壓力的計算[J].計算力學(xué)學(xué)報， 2001（21）：150-152.

【2】JTS 167-2-2009 重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范[J].中小企業(yè)管理與科技，2016（11）：47-49.

【3】劉坤. ANSYS有限元方法精解[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2005.

【4】朱柏芳. 有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社， 2000.

【5】孫熙平，吉訓(xùn)明，張桂平.有限元法在重力式碼頭安全評估中的應(yīng)用研究[J]. 水道港口. 2012（2）：67-70.

【6】魯建霞，茍慧芳.有限元法的基本思想與發(fā)展過程[J]. 機械管理開發(fā)，2009（24）：17-19.