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      船舶撞擊力在高樁碼頭排架中的分配研究

      2010-05-16 08:14:22趙沖久熊洪峰劉現(xiàn)鵬
      水道港口 2010年2期
      關(guān)鍵詞:撞擊力碼頭分配

      趙沖久,熊洪峰,劉現(xiàn)鵬

      (1.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456;2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,哈爾濱 150001)

      高樁碼頭主要依靠嵌固在土中的叉樁提供水平抗力。在高樁碼頭的原形觀測中發(fā)現(xiàn),船舶撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生水平力作用,當(dāng)撞擊力過大時(shí),叉樁會(huì)出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象?!陡劭诠こ谈邩洞a頭設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)范》[1]中規(guī)定了船舶撞擊力及系纜力在排架中分配的計(jì)算方法。但船舶撞擊力在碼頭排架中的分配情況與碼頭結(jié)構(gòu)段的排架數(shù)量、排架間距、碼頭寬度、排架橫縱梁及各構(gòu)件尺寸、岸坡坡度、地質(zhì)狀況等相關(guān)。本文針對(duì)某段碼頭的實(shí)際情況,通過物理模型和數(shù)學(xué)模型研究了船舶撞擊力在碼頭排架中的分配情況,旨在提供一種新的方法,有針對(duì)性的計(jì)算碼頭受力情況,以便更好地開展老舊碼頭的評(píng)估和維修加固設(shè)計(jì)工作。

      1 高樁碼頭結(jié)構(gòu)的物理模型和數(shù)學(xué)模型

      1.1 碼頭概況

      某高樁碼頭的碼頭面高程為5.8 m,碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面高程-10.0 m。該碼頭為高樁梁板式碼頭,其前承臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)段排架數(shù)為9個(gè),一對(duì)叉樁三直樁排架,排架間距7 m,承臺(tái)寬13.8 m,直樁為55 cm×55 cm的預(yù)應(yīng)力空心樁,叉樁為50 cm×50 cm的預(yù)應(yīng)力空心樁,面板厚48 cm。碼頭撞擊力為500 kN。結(jié)構(gòu)段立面見圖1,結(jié)構(gòu)段斷面見圖2。

      1.2 物理模型

      考慮到建立空心樁體物理模型的難度、模型的經(jīng)濟(jì)性和各構(gòu)件彈性模量的差異,物理模型除面板以外的構(gòu)件采用1:15的比例建立實(shí)體構(gòu)件,面板長度和寬度也采用1:15的比例,面板厚度為1.5 cm。模型施加的水平力為60 kg。

      1.3 物理模型的ANSYS有限元模型

      為了保證ANSYS有限元模型計(jì)算原始模型的正確性,將建立物理模型的ANSYS有限元模型與物理模型的實(shí)測值進(jìn)行比較分析,得到正確的ANSYS有限元模型,然后建立原始模型的ANSYS有限元模型。物理模型的ANSYS有限元模型見圖3和圖4。

      1.4 物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

      模型結(jié)構(gòu)段各排架樁基的側(cè)向剛度系數(shù)相等。測出模型各排架的水平位移,然后分別用水平位移除以位移總和,即得到水平力在排架中的分配系數(shù)。ANSYS有限元模型通過計(jì)算各排架樁嵌固點(diǎn)支座反力,然后分別用各排架樁的支座反力除以施加的水平力,得到水平力在排架中的分配系數(shù)。實(shí)測與計(jì)算結(jié)果見表1。

      由表1可以看出:(1)物理模型和ANSYS建立的有限元模型計(jì)算水平力在排架中的分配結(jié)果吻合較好,可將ANSYS有限元模型用于計(jì)算水平力在排架中的分配。

      (2)水平力作用于1號(hào)排架和9號(hào)排架時(shí),1號(hào)排架水平力分配系數(shù)為45.46%,9號(hào)排架為41.42%,這是由于叉樁的水平投影朝一個(gè)方向(不對(duì)稱)的結(jié)果。5~9號(hào)排架前叉樁向著結(jié)構(gòu)段外的方向,這對(duì)排架在水平力作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)有一定的削弱作用,所以9號(hào)排架的分配系數(shù)要小于1號(hào)排架。因此高樁碼頭結(jié)構(gòu)段叉樁多對(duì)稱布置,并且前叉樁應(yīng)該朝向結(jié)構(gòu)段(縱向)外側(cè),有助于減小水平力在排架中的最大分配系數(shù)。

      (3)最大水平力的分配系數(shù)(最不利)為水平力作用在排架1時(shí)排架1的分配。

      表1 水平力在模型的各排架中的分配Tab.1 Horizontal force distribution of various pier bents

      2 碼頭原型的ANSYS有限元模型

      2.1 模型的建立

      為了真實(shí)反映三維結(jié)構(gòu)受力位置、受力形式對(duì)水平力在排架中分配的影響,采用Solid65實(shí)體單元對(duì)混凝土進(jìn)行模擬。樁、樁帽、橫縱梁以及面板之間采用固定連接。由于混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線具有下降段,結(jié)構(gòu)在受力的過程中會(huì)產(chǎn)生“軟化”現(xiàn)象,所以模型中各構(gòu)件的本構(gòu)關(guān)系采用非線性彈性本構(gòu)模型。Sargin在對(duì)Saenz提出的混凝土σ-ε本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行改進(jìn)后提出下列公式[2]

      式中:A=E0/Es;E0為混凝土初始彈性模量;Es=σ0/ε0為應(yīng)力達(dá)峰值時(shí)的割線模量;k3=σ0/fc為側(cè)限對(duì)強(qiáng)度的影響系數(shù);D為影響下降段的參數(shù)。

      2.2 影響水平力分配的因素

      河海大學(xué)張祖賢[3]等研究發(fā)現(xiàn),排架數(shù)目增多、排架間距減小、承臺(tái)寬度加大都會(huì)降低排架水平力的分配系數(shù)??紤]力作用在靠船構(gòu)件的高度以及碼頭上有無均布荷載情況可能對(duì)水平力在排架分配的影響,文章對(duì)水平力的作用位置和碼頭上有無均布豎向荷載對(duì)分配系數(shù)的影響進(jìn)行了研究。

      2.2.1 力的作用位置

      結(jié)合上述工程實(shí)例,建立ANSYS有限元模型,計(jì)算當(dāng)水平力作用在1號(hào)排架的靠船構(gòu)件的上部、中部、下部時(shí)各排架的水平力分配系數(shù),計(jì)算結(jié)果見表2。

      由表2可知,水平力作用在靠船構(gòu)件的頂部、中部、底部時(shí),1號(hào)排架水平力的分配系數(shù)最大差值為0.31%,變化不是很大。

      2.2.2 豎向荷載對(duì)水平力分配系數(shù)的影響

      碼頭前承臺(tái)是按均布荷載為3 T/m2豎向承載力設(shè)計(jì)的,建立原型的ANSYS有限元模型,計(jì)算了在有無均布荷載下、均布荷載從無逐級(jí)增加的情況下、均布荷載只作用在排架1的面板上、均布荷載僅不作用在排架1的面板上,水平力作用在排架1時(shí),各排架的水平力分配系數(shù)(表3)。

      表2 不同作用位置下排架的水平力分配系數(shù)Tab.2 Horizontal force distribution coefficient of various pier bents

      通過表3比較得出:(1)由1列、3列和5列的數(shù)據(jù)可以得到:均布荷載由小到大僅作用在1號(hào)排架時(shí),排架最大水平力分配系數(shù)從43.53%增大到了45.63%。由于在水平力作用下碼頭排架只發(fā)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),2~9號(hào)排架的側(cè)向剛度系數(shù)沒有發(fā)生變化,而排架1的水平力分配系數(shù)增大了2.1%,說明1號(hào)排架的側(cè)向剛度系數(shù)有所提高。

      (2)由3列和4列的數(shù)據(jù)可以得到:3 T/m2的均布荷載僅作用在1號(hào)排架的水平力分配系數(shù)比僅不作用在1號(hào)排架的水平力分配系數(shù)大6.07%,這也進(jìn)一步說明了均布荷載的作用提高了對(duì)應(yīng)排架的側(cè)向剛度系數(shù)。

      表3 不同均布荷載下水平力分配系數(shù)Tab.3 Horizontal force distribution coefficient under various uniformly distributed loads

      (3)由1列和2列的數(shù)據(jù)可以得到:當(dāng)3 T/m2均布荷載使排架側(cè)向剛度都增大后,各排架的水平力分配系數(shù)并沒有明顯的變化,這也符合模型簡化采用線彈性計(jì)算的結(jié)果。所以排架側(cè)向剛度在一定范圍內(nèi)整體的變化不會(huì)明顯影響其水平力分配系數(shù)。

      2.3 最不利排架的水平力分配系數(shù)

      將水平力作用在靠船構(gòu)件的下端,僅在1號(hào)排架的面板上施加3 T/m2的均布荷載的條件下,水平力作用在1號(hào)排架時(shí),1號(hào)排架的分配為最不利。結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算得到該工程的最不利排架的水平力分配系數(shù)為45.80%。

      2.4 最不利排架的水平力分配系數(shù)與規(guī)范比較

      通過本文的計(jì)算和分析得到某碼頭分段跨數(shù)為8跨、排架間距為7 m的高樁碼頭結(jié)構(gòu)段的水平力分配系數(shù)為45.80%,而根據(jù)《港口工程高樁碼頭設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)范》[1]可知,碼頭分段跨數(shù)為8跨、排架間距為7 m的高樁碼頭結(jié)構(gòu)段的水平力分配系數(shù)為37.0%。通過比較可知規(guī)范比本文的計(jì)算結(jié)果小8.8%,出于對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)安全性的考慮,建議規(guī)范通過重新計(jì)算提高各排架的水平力分配系數(shù)。

      3 有關(guān)計(jì)算參數(shù)的確定

      3.1 樁基嵌固點(diǎn)的確定

      當(dāng)插入土中的彈性樁和原土面下一定深度處嵌固的同樣斷面的樁,在同樣的水平力或力矩作用下具有相等的樁頂水平變位或轉(zhuǎn)角時(shí),則該懸臂樁稱為彈性樁的等效樁,其嵌固點(diǎn)為彈性樁的等效嵌固點(diǎn)。一般通過調(diào)整懸臂樁樁長,能使其樁頂水平變位或轉(zhuǎn)角與彈性樁的樁頂水平變位或轉(zhuǎn)角相等或接近相等[4]。

      根據(jù)上述等效嵌固點(diǎn)的定義,可以得到如下計(jì)算等效樁長的表達(dá)式,即

      式中:h為樁在土面以上的自由高度;t為嵌固點(diǎn)深度。

      根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》[5],當(dāng)采用假想嵌固點(diǎn)計(jì)算的方法時(shí),彈性長度的受彎嵌固點(diǎn)深度可采用M法,并按下式計(jì)算

      式中:η為系數(shù),取1.8~2.2,樁頂鉸接或樁的自由長度較大時(shí)取較小值,樁頂轉(zhuǎn)角無轉(zhuǎn)動(dòng)或樁的自由長度較小時(shí)取較大值;T為樁的相對(duì)剛度系數(shù),m;Ep為樁材料的彈性模量,kN/m2;Ip為樁截面的慣性矩,m4;m為樁側(cè)地基土的水平抗力系數(shù)隨深度增長的比例系數(shù),kN/m4;b0為樁的換算寬度,m,取2 N,N為樁受力面的樁寬或樁徑。

      3.2 鋼筋混凝土的等效彈性模量

      鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中存在著鋼筋和混凝土2種不同彈性模量的材料,其構(gòu)成的復(fù)合材料的彈性模量與構(gòu)件的配筋率和鋼筋方向等因素有關(guān)。為了在模型中能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的受力過程,且實(shí)現(xiàn)簡化模型的建立和求解過程的要求;應(yīng)用復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的理論,模擬鋼筋混凝土材料力學(xué)性能的均質(zhì)材料等效模量修正公式[6-7]。

      當(dāng)鋼筋單方向分布于混凝土中時(shí),其修正等效模量為

      式中:c0,c1分別為集體和增強(qiáng)材料的體積分?jǐn)?shù);E11,E22,E33分別為材料在1,2,3彈性方向上的彈性模量。

      考慮鋼筋沿3個(gè)互相垂直的方向分布時(shí),材料為正交各向異性,有9個(gè)獨(dú)立的彈性常數(shù),應(yīng)用疊加原理,對(duì)上述修正等效模量公式的各分量進(jìn)行疊加,得到

      4 結(jié)論

      常用來計(jì)算水平力在高樁碼頭排架間分配的方法包括彈性支座剛性梁法、彈性支座連續(xù)梁法、剪切梁法以及彈性支座彎剪梁法等。上述方法都對(duì)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些簡化和假定,算得的排架分配存在一定誤差;面對(duì)船舶的大型化,其撞擊力也在增大,較小的水平力分配系數(shù)誤差也可能帶來很大的水平力差異,進(jìn)而影響碼頭的設(shè)計(jì)以及老舊碼頭的評(píng)估和維修加固設(shè)計(jì)工作。為了得到精確的排架分配系數(shù),本文基于ANSYS有限元軟件建立了數(shù)學(xué)模型,用于計(jì)算船舶撞擊力在碼頭排架中的分配。該數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于物理模型的計(jì)算時(shí),得到了物理模型試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。

      研究的主要結(jié)論如下:(1)基于ANSYS有限元軟件的數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,可將其應(yīng)用于船舶撞擊力在排架中的分配計(jì)算;(2)針對(duì)碼頭工程實(shí)例,數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果表明《港口工程高樁碼頭設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的水平力排架分配系數(shù)偏小,建議在對(duì)碼頭進(jìn)行安全檢測評(píng)估時(shí)采用上述方法進(jìn)行水平力分配系數(shù)計(jì)算;為了減小水平力在排架中的最大分配系數(shù),高樁碼頭結(jié)構(gòu)段叉樁應(yīng)該對(duì)稱布置,且前叉樁應(yīng)該朝向結(jié)構(gòu)段(縱向)外側(cè);豎向均布荷載對(duì)相應(yīng)排架的側(cè)向剛度系數(shù)有提高的作用;單個(gè)排架側(cè)向剛度系數(shù)的提高,會(huì)提高該排架的水平力分配系數(shù);應(yīng)根據(jù)以上規(guī)律計(jì)算碼頭結(jié)構(gòu)段各排架水平力分配系數(shù)的包絡(luò)圖;碼頭結(jié)構(gòu)段排架側(cè)向剛度在一定范圍內(nèi)整體的變化不會(huì)明顯影響其水平力分配系數(shù)。

      [1]JTJ 291-98,港口工程高樁碼頭設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)范[S].

      [2]江見鯨,陸新征,葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

      [3]張祖賢,朱秀峰,王炳煌.水平力在碼頭排架中的分配試驗(yàn)研究[J].水運(yùn)工程,1991(12):13-19.

      ZHANG Z X,ZHU X F,WANG B H.Experimental Study on the Distribution of Horizontal Force Acting on the Wharf Bents[J].Port&Waterway Engineering,1991(12):13-19.

      [4]JTJ250-98,港口工程樁基規(guī)范[S].

      [5]張學(xué)言.確定彈性樁嵌固點(diǎn)深度的方法[J].水運(yùn)工程,1980(10):17-21.

      [6]孔丹丹,趙穎華,王萍.仿真計(jì)算中鋼筋混凝土材料的等效模量[J].沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003(3):165-168.

      KONG D D,ZHAO Y H,WANG P.Equivalent moduli of reinforced concrete in simulating analysis[J].Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering Institute:Natural Science Edition,2003(3):165-168.

      [7]朱秀峰.船舶撞擊力在高樁碼頭排架中的分配[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1987,15(1):66-73.

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