三峽庫區(qū)散貨碼頭升級擴建工程受力特性研究★

余 葵，張 鑫，劉憲慶，戴一鋒，吳威力

(1.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué) 重慶市橋梁通航安全與防撞工程技術(shù)研究中心，重慶 400074； 3.重慶交通大學(xué)航運與船舶工程學(xué)院，重慶 400074)

水路是“打不爛、炸不斷”的生命運輸線，新時代要求水運進一步提升服務(wù)保障能力，國務(wù)院發(fā)布的《全國安全生產(chǎn)專項整治三年行動計劃》，要求建立防范化解安全風(fēng)險的長效機制，健全安全管理責(zé)任體系。三峽庫區(qū)具有運輸成本低、運量大、覆蓋廣的優(yōu)勢，隨著西部陸海新通道建設(shè)的推進，載貨能力進一步提升，船舶大型化發(fā)展，碼頭貨物吞吐量逐年增加，碼頭設(shè)施向大型化、專業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展，既有散貨碼頭裝卸工藝已不能滿足吞吐需求，亟需進行升級擴建[1]。對碼頭升級擴建工程中傳送系統(tǒng)及地基受力特性變化規(guī)律進行復(fù)核計算，確保碼頭運營安全，提高安全生產(chǎn)保障能力，具有重要的研究價值[2]。

既有散貨碼頭裝卸工藝已不能滿足吞吐需求，亟需進行升級擴建。皮帶機朝著大運量、長距離、高運速的方向發(fā)展，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運輸高效平穩(wěn)等優(yōu)點，在內(nèi)河散貨碼頭裝卸作業(yè)中廣泛應(yīng)用[3-5]。皮帶機負(fù)荷運作時，結(jié)構(gòu)受力及變形不滿足要求將導(dǎo)致垮塌事故。目前國內(nèi)外學(xué)者對碼頭受力特性做了相應(yīng)研究，Liu Xia通過建立帶式輸送機桁架有限元模型，分析不同荷載組合條件下主筋應(yīng)力及位移[6]。Meng Limin等在對托輥進行有限元分析，提出了一種基于驅(qū)動輥理論荷載值擬合公式的加載方法[7]。Zhang Mingyuan等對三角支撐建立三維立體模型，分析應(yīng)力及位移，并優(yōu)化三角支撐[8]。針對地基不均勻沉降和變形問題，采用皮帶機與棧橋結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，多種地基穩(wěn)定驗算方法等[9-10]。

為滿足碼頭所需貨物吞吐量市場需求，三峽庫區(qū)某散貨碼頭通過能力由30萬t提升到200萬t，傳送系統(tǒng)荷載增加，引起碼頭整體結(jié)構(gòu)及地基受力特性變化?，F(xiàn)有針對荷載改變引起碼頭整體結(jié)構(gòu)受力特性的研究較少，本文分別建立皮帶機、支架、碼頭整體結(jié)構(gòu)受力模型，研究風(fēng)荷載及重力荷載作用下結(jié)構(gòu)受力及地基承載力特性變化規(guī)律并進行復(fù)核，為碼頭裝卸安全和有效運行提供參考，所得成果對同類碼頭升級擴建具有一定的借鑒價值。

1 荷載計算

散貨碼頭貨物吞吐量逐年增加，為了提高通過能力，采用皮帶機裝卸工藝對原散貨碼頭進行升級改造。本文依托三峽庫區(qū)某散貨碼頭改擴建工程，傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)表

作用在皮帶機支腿上的荷載包括：運輸貨物及皮帶的自重和作用于皮帶機上的風(fēng)荷載。帶式輸送機每米輸送碎石質(zhì)量計算如下[11]：

(1)

其中，qG為每米輸送碎石質(zhì)量；Iv為輸送效率；ρ為碎石密度；v為輸送速度。

經(jīng)計算得qG=166.7 kg。

考慮皮帶機鋼結(jié)構(gòu)每個支腿沿長度方向的受力范圍為0.75 m，構(gòu)件計算時的散貨荷載分項系數(shù)取1.5，固定設(shè)備重力分項系數(shù)取1.2[12]。則考慮作用長度及分項系數(shù)的單個支腿外力作業(yè)荷載為：

(1.5×166.7×10+1.2×

24.7×1.2×0.75×10)/4=691.8 N。

作用在港口工程結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按式(2)計算：

WK=μsμzW0

(2)

(3)

其中，V為設(shè)計風(fēng)速，取24.4 m/s；W0為基本風(fēng)壓，計算得0.372 kPa；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取1；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.254。

經(jīng)計算，WK=0.466 kPa,則考慮風(fēng)荷載分項系數(shù)取1.4時的風(fēng)荷載為652.4 Pa。

2 建立有限元模型

技改裝卸工藝：在增長皮帶機的同時增設(shè)了臨時轉(zhuǎn)運料斗，以提高散貨泊位的裝卸效率，流程為：自卸汽車→臨時轉(zhuǎn)運料斗→連接段皮帶機→料斗→裝船皮帶機→貨船。裝卸工藝及部分實景圖見圖1。

2.1 皮帶機框架有限元模型

皮帶機框架尺寸見圖1，采用ABAQUS有限元軟件建立模型，材料模型采用理想彈塑性模型，用B31單元進行模擬。鋼材參數(shù)為：彈性模量E=206 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為345 MPa。

建立皮帶機框架有限元分析模型及網(wǎng)格劃分情況見圖2。為真實還原實際受力情況，模型在前端鋼板位置施加固定約束，在皮帶機框架與鋼絞線連接的第2-3跨中、第5跨、第8-9跨中、第11跨、第13-14跨中、第16跨、第18-19跨中、第21跨、第23-24跨中、第26跨、第28-29跨中及第31-32跨中的上弦節(jié)點施加X向、Y向以及繞Z軸旋轉(zhuǎn)方向的約束。

結(jié)構(gòu)為空間桁架結(jié)構(gòu)，所施加的荷載主要包括結(jié)構(gòu)的重力荷載、輸送碎石質(zhì)量、輸送帶的自重以及風(fēng)荷載。按照規(guī)范計算的支點Y方向的荷載為-1 383.6 N，X方向的均布風(fēng)荷載為652.4 N/m2，在每個支點上按照長度和受風(fēng)面積施加等效集中荷載。

2.2 支架有限元模型

支架由承拉構(gòu)件和支架框架組成，Solidworks整體效果圖及支架尺寸見圖3。

2.2.1 承拉構(gòu)件有限元模型

建立承拉構(gòu)件邊界條件及荷載的施加方式和網(wǎng)格劃分見圖4，材料模型采用理想彈塑性模型，單元采用C3D10進行模擬。以下部孔的圓心為圓心，每隔10°布置，共計布置12個上部孔，下部孔的直徑為219 mm，上部孔的直徑為40 mm。采用耦合約束形式對下部孔施加固定約束；多點關(guān)聯(lián)約束形式對上部孔進行約束及加載，通過提取皮帶機框架與鋼絞線連接節(jié)點處荷載，上部孔從下到上依次加載X，Y方向的作用力。

2.2.2 支架框架有限元模型

建立支架框架邊界條件及荷載的施加方式和網(wǎng)格劃分見圖5，采用理想彈塑性模型，單元采用B31進行模擬。在結(jié)構(gòu)的底部節(jié)點位置施加固定約束，頂部節(jié)點施加X方向約束。通過提取承拉構(gòu)件下部孔在皮帶機荷載和風(fēng)荷載作用下的荷載，左側(cè)荷載為：Fx=-399 267 N，F(xiàn)y=-127 495 N；右側(cè)荷載為：Fx=397 482 N，F(xiàn)y=-126 965 N，荷載施加在左、右承拉構(gòu)件的位置，荷載分布較為對稱。

3 輸送系統(tǒng)受力特性分析

3.1 皮帶機框架受力特性分析

圖6分別給出了皮帶機框架在風(fēng)荷載和皮帶機荷載作用下的Mises應(yīng)力結(jié)果及在各個方向上的變形。

皮帶機框架的最大Mises應(yīng)力為68.77 MPa，出現(xiàn)在后端支座處位置，小于Q345B鋼材的許用應(yīng)力230 MPa，材料強度整體滿足要求；在X，Y，Z方向的最大位移分別為：0.717 mm，3.435 mm和13.52 mm，出現(xiàn)在皮帶機后端、前端和前端位置，位移滿足使用要求。

3.2 支架受力特性分析

3.2.1 承拉構(gòu)件受力特性分析

左側(cè)承拉構(gòu)件的Mises應(yīng)力及位移均小于右側(cè)，圖7分別給出了右側(cè)承拉構(gòu)件在皮帶機荷載和風(fēng)荷載作用下的Mises應(yīng)力結(jié)果以及在各個方向上的變形。

承拉構(gòu)件的最大Mises應(yīng)力為202.3 MPa，出現(xiàn)在下部孔的位置，小于所用鋼材的屈服強度，材料強度整體滿足要求；在X，Y，Z方向的最大位移分別為：0.331 mm，0.299 mm，0.003 mm，位移滿足使用要求。

3.2.2 支架框架受力特性分析

圖8分別給出了支架整體結(jié)構(gòu)在皮帶機荷載和風(fēng)荷載作用下的Mises應(yīng)力結(jié)果以及在各個方向上的變形。

結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力為35.29 MPa，小于所用鋼材的許用應(yīng)力，材料強度整體滿足要求；在X，Y，Z方向的最大位移分別為：0.994 mm，0.744 mm和0.591 mm，位移滿足使用要求。

4 碼頭整體結(jié)構(gòu)受力特性分析

根據(jù)水位漲落，需對原裝卸平臺進行加高，按照實際地形圖建立碼頭整體結(jié)構(gòu)模型，高度為33.3 m，寬度為48.0 m，整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。依據(jù)《地質(zhì)勘察報告》，所用混凝土材料為C15和C25，碎石土、強風(fēng)化泥灰?guī)r和中風(fēng)化泥灰?guī)r的物理及力學(xué)參數(shù)如表2所示，無不良地質(zhì)作用。

表2 碼頭整體結(jié)構(gòu)模型參數(shù)表

根據(jù)土層厚度劃分網(wǎng)格，在滿足計算精度要求的同時達到不浪費資源的目的，按照平面問題所建立的邊界條件及荷載的施加方式和網(wǎng)格劃分見圖10。平臺與土體間采用Tie約束，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.4。在結(jié)構(gòu)的底部邊界和左側(cè)邊界施加豎向、水平約束。提取支架在皮帶機荷載和風(fēng)荷載作用下底部所受到的豎向荷載，合力為-266 560 N，通過托輥作用在滑動軌道上，托輥通過設(shè)置剛體和參考點的形式施加266 560 N豎直向下的作用力。后方錨定結(jié)構(gòu)用鋼絞線，角度約為32°，所受到的拉力在極限工況下為497 864 N。考慮到碼頭運營時存在活荷載，在工作結(jié)構(gòu)面上施加壓應(yīng)力來模擬[13]。各層土體應(yīng)力見圖11。

碎石土層的豎向受壓應(yīng)力最大值為261 kPa，出現(xiàn)在平臺前沿，大于《地質(zhì)勘察報告》中的建議值150 kPa，地基承載力不能夠滿足承載要求，需采取地基加固或打樁等措施，使地基承載能力滿足要求；強風(fēng)化泥灰?guī)r和中風(fēng)化泥灰?guī)r的豎向應(yīng)力分別為277.4 kPa和560.7 kPa，小于其豎向承載力建議值500 kPa和6 480 kPa，承載力整體滿足要求。

土體和平臺組成的整體結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)變見圖12。整體結(jié)構(gòu)豎向的最大位移為8.279 mm，出現(xiàn)在遠岸平臺與碎石土層交界處，位移滿足要求。

5 結(jié)論及建議

1)本升級擴建工程皮帶機、支架結(jié)構(gòu)能夠滿足應(yīng)力及變形的要求，改造后碼頭通過能力進一步提高，滿足三峽庫區(qū)某散貨碼頭吞吐需求，實現(xiàn)裝卸工藝改造升級后安全適用、經(jīng)濟環(huán)保的目標(biāo)，適應(yīng)航運發(fā)展趨勢。

2)碎石土層的豎向受壓應(yīng)力大于《地質(zhì)勘察報告》建議值，地基承載力不能夠滿足承載要求，需采取地基加固或打樁等措施，使地基承載能力滿足要求；強風(fēng)化泥灰?guī)r、中風(fēng)化泥灰?guī)r的承載力和變形滿足要求。

3)采用皮帶機工藝對散貨碼頭升級改造，在內(nèi)河散貨碼頭裝卸作業(yè)中廣泛應(yīng)用。采用ABAQUS建立模型，分析傳送系統(tǒng)和碼頭地基受力特性具有普遍適應(yīng)性，對同類碼頭升級擴建、保障裝卸安全有一定的借鑒意義。