彎矩荷載作用下重力式碼頭整體穩(wěn)定性計算分析

吳敬崇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430000）

1 工程介紹

1.1 工程概述

淄博港高青港區(qū)花溝作業(yè)區(qū)一期工程位于淄博市高青縣花溝鎮(zhèn)，是高青港區(qū)唯一的作業(yè)區(qū)，設計年吞吐量320 萬噸，設計年通過能力351.3 萬噸。

本工程一期建設4 個1000 噸級泊位，其中2 個1000 噸級多用途泊位，2 個1000 噸級通用泊位。

1.2 設計條件

1.2.1 設計水位

本工程設計水位為：

設計高水位：12.26m

設計低水位：8.7m

工程地質：根據(jù)《淄博港高青港區(qū)花溝作業(yè)區(qū)一期工程巖土工程勘察報告》[1]，場區(qū)地層劃分為10 個工程地質層，主要土層物理力學指標如表1所示。

表1 土層物理力學指標

1.2.2 工藝荷載

通用泊位裝卸船設備采用4 臺16t-30m 的固定式起重機（固定吊），最大起重量16t，正壓力125t，水平力12t，傾覆力矩600t·m。碼頭前沿至岸側15m 范圍內(nèi)均載為20Kpa，岸側15m 至新建防洪墻（42m）范圍內(nèi)均載為60kpa。

1.2.3 計算斷面

碼頭采用重力式結構型式，碼頭墻體采用卸荷板式現(xiàn)澆混凝土結構。通用泊位在距離碼頭前沿4m 處設置固定吊，固定吊處頂寬7.0m。通用泊位固定吊斷面如圖1所示。

圖1 通用泊位固定吊斷面

2 整體穩(wěn)定性計算

2.1 計算說明

通用泊位固定吊斷面整體穩(wěn)定性采用上海易工軟件有限公司編制的《邊坡穩(wěn)定計算程序》進行計算。以鉆孔ZK-III20-HG06 為代表鉆孔，土層物理力學指標見表1，持久狀況采用固結快剪指標[2]。

2.2 荷載分析

對于安裝固定吊的碼頭，碼頭面還受到固定吊底座傳遞的彎矩荷載。然而《邊坡穩(wěn)定計算程序》荷載輸入模塊僅能定義集中荷載和均布荷載，無法直接定義彎矩荷載。為解決彎矩荷載施加問題，有以下兩種等效方法。

2.2.1 將彎矩荷載等效成力偶

根據(jù)力偶和固定吊彎矩荷載相等的原則，可將固定吊彎矩荷載等效成一對等大反向不共線的力系（力偶）施加在碼頭面。根據(jù)力系施加方向、力系大小、力偶方向，可分以下彎矩荷載等效組合，如表2所示。

表2 彎矩荷載等效力偶組合

各彎矩荷載等效力偶組合示意圖見圖2。

圖2 彎矩荷載等效力偶示意圖

2.2.2 將彎矩荷載等效成分布應力

采用簡單條分法計算地基整體穩(wěn)定性時，抗力分項系數(shù)大小與滑弧范圍內(nèi)土條所受的彎矩大小緊密相關。碼頭面固定吊彎矩荷載經(jīng)由碼頭結構，以分布應力的形式作用在碼頭結構下方土條。由于碼頭結構自身的剛度遠大于結構下方土體的剛度，因此，可以將彎矩荷載產(chǎn)生的碼頭結構底部的分布應力以分布荷載的形式施加在碼頭面，荷載數(shù)值見表3。

表3 彎矩荷載等效分布應力組合

各彎矩荷載等效分布應力組合示意圖如圖3所示。

圖3 彎矩荷載等效分布應力示意圖

3 計算結果及分析

計算水位取設計低水位，采用圓弧滑動簡單條分法[3]計算通用泊位固定吊斷面整體穩(wěn)定性，計算結果見表4。

表4 不同荷載組合整體穩(wěn)定性計算結果

由表4可知，當碼頭面力系施加方向和力偶方向不同時，碼頭整體穩(wěn)定性抗力分項系數(shù)計算結果略有差異。

（1）力系施加方向和集中力數(shù)值相同時，當力偶方向與滑弧方向相同時的抗力分項系數(shù)小于力偶方向與滑弧方向相反時的抗力分項系數(shù)。

（2）在碼頭面施加水平力時，當力偶方向和數(shù)值一樣時，抗力分項系數(shù)的大小與集中力大小和力臂無關。

（3）無論是在碼頭面施加豎向力、水平力或分布荷載，當力偶方向與滑弧方向相同時，此時力偶在土條內(nèi)部產(chǎn)生傾覆力矩，導致抗力分項系數(shù)小于不施加彎矩時的抗力分項系數(shù)。

結果表明，當力偶方向和滑弧方向相同時，抗力分項系數(shù)小于不施加彎矩時的抗力分項系數(shù)，為計算重力式碼頭整體穩(wěn)定性的控制工況。此情況下抗力分項系數(shù)最小值為1.299，最大值為1.307。

4 結論

固定式起重機由于其結構簡單，易于制造，經(jīng)濟簡單，在內(nèi)河港口選用較為廣泛，尤其在江南水網(wǎng)地區(qū)使用較多，多適用于水位差較小的直立式碼頭。

本文以淄博港高青港區(qū)花溝作業(yè)區(qū)一期工程通用泊位固定吊斷面為例，介紹了兩種計算重力式碼頭整體穩(wěn)定性時彎矩荷載的等效方法，可為類似工程項目整體穩(wěn)定性計算提供參考。