高樁碼頭承載特性三維數(shù)值模擬

蔣建平， 魏建華， 馬恒

(上海海事大學 海洋科學與工程學院， 上海 201306)

0 引 言

高樁碼頭指由樁基及上部結(jié)構(gòu)組成的各種碼頭，主要有梁板式、桁架式、前板樁、后板樁等結(jié)構(gòu)形式.高樁碼頭結(jié)構(gòu)輕、受力明確，適宜做成透空式；減弱波浪的效果好，適于軟土地基；但結(jié)構(gòu)單薄，耐久性差，構(gòu)件易損壞并難于修復，對地面超載及裝卸工藝變化適應性差.[1-6]

高樁碼頭處在海陸交接地帶，環(huán)境脆弱，受力非常復雜.[7-10]目前，對一根單樁的受力和變形都無法進行精確的計算，對高樁碼頭就更是如此，所以，很有必要加強高樁碼頭承載性狀的研究.目前對高樁碼頭的研究已取得較多的研究成果[11-14]，但將整個高樁碼頭作為一個整體，且考慮堆場、岸坡土體、樁基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)共同作用的研究較少.鑒于此，本文基于有限元軟件ABAQUS開展高樁碼頭三維承載性狀的研究.

1 數(shù)值仿真模型構(gòu)建及工況設(shè)置

1.1 數(shù)值模型構(gòu)建

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，可以分析復雜的固體力學、結(jié)構(gòu)力學系統(tǒng)，能夠駕馭非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題.ABAQUS擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料，含有非常豐富的巖土工程本構(gòu)模型.ABAQUS經(jīng)過在國內(nèi)外近30年的廣泛應用，其可靠性得到廣泛而有效的驗證.

根據(jù)《港口工程載荷規(guī)范》和《高樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》并參考與高樁碼頭相關(guān)的文獻建立ABAQUS的幾何模型和計算模型.取縱向24 m為研究范圍，包括：前承臺3個排架，排架間距7 m；后承臺7個排架，排架間距3.5 m.前承臺為梁板柔性樁臺結(jié)構(gòu)，絕大部分為預制構(gòu)件；前方起重機梁為矩形斷面；后方起重機梁是局部加厚的鋼筋混凝土面板，該面板為預應力板；橫梁為非預應力梁；樁距3.6 m.對岸坡形式進行簡化，坡度比為1∶3，簡化為單層土進行模擬，接岸處設(shè)有混凝土擋土墻.前承臺寬14 m，后承臺寬15.7 m.

前承臺橫梁與縱梁均為矩形截面樁，其中：橫梁尺寸為1.4 m×0.9 m；縱梁尺寸為0.9 m×0.5 m；前承臺直樁、后承臺直樁、叉樁均為50 cm×50 cm方樁，叉樁坡度比為3∶1，直樁長23.5 m，采用C40混凝土.

本模型中岸坡土體、樁、梁、板等均采用三維實體單元：樁采用C3D8R實體單元，將樁身劃分為均勻的六面體單元；梁板及岸坡土體結(jié)構(gòu)采用C3D4實體單元，將梁板及岸坡土體劃分為四面體單元.數(shù)值模擬中，樁采用理想彈性模型，土采用理想彈塑性模型.數(shù)值計算模型見圖1，材料參數(shù)見表1.

圖1數(shù)值計算模型

表1 材料參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬中工況設(shè)置

表2 工況設(shè)置

基于ABAQUS的三維有限元計算中，設(shè)置7種工況(見表2)，主要模擬承臺載荷與堆場載荷及其不同組合情況下的樁基受力變形情況.

工況1考慮前、后承臺及堆場均布載荷；工況2考慮前承臺均布載荷；工況3考慮后承臺均布載荷；工況4考慮堆場均布載荷；工況5考慮前、后承臺均布載荷；工況6考慮前承臺和堆場均布載荷；工況7考慮后承臺和堆場均布載荷.

2 碼頭樁承載性狀分析

通過數(shù)值分析，獲得各工況下的各類位移和內(nèi)力圖.限于篇幅，僅選取工況1，4，6下的位移云圖和矢量圖，見圖2.以碼頭中的一排樁為代表分析各樁樁身的位移和彎矩，各樁序號見圖3.各工況下前、后承臺各樁的樁身位移分布見圖4和5.

從圖2(a)和2(b)可以看出，由于在工況1下整個碼頭的總位移從堆場、后承臺到前承臺逐漸減小，后承臺樁基礎(chǔ)對岸坡土體的遮簾作用使得前承臺樁基礎(chǔ)位移減??；堆場下土體、承臺板的位移方向主要為左下，即向下斜指海側(cè)，而岸坡土體的位移主要為近水平指向海側(cè)，使得岸坡中的樁的位移方向也主要為近水平指向海側(cè).

(a) 工況1下三維位移場云圖(單位:m)

(c) 工況4下三維位移場云圖(單位：m)

(e) 工況6下三維位移場云圖(單位：m)

(b) 工況1下剖面中的位移矢量圖

(d) 工況4下剖面中的位移矢量圖

(f) 工況6下剖面中的位移矢量圖

圖3 中間排樁中的樁序號

圖4在工況1～7下前承臺樁身位移分布

圖5在工況1～7下后承臺樁身位移分布

由圖2(c)～2(f)發(fā)現(xiàn)，工況4和6下碼頭的位移場云圖和位移矢量圖與工況1下的大體類似，但也有明顯區(qū)別，主要體現(xiàn)在圖2(c)～2(f)中后承臺及其下的樁基礎(chǔ)的位移都小于前承臺，主要是由于高樁碼頭只受到堆場的均布載荷，土體位移呈現(xiàn)順時針繞流的趨勢，使得越靠近海測的岸坡其上翹趨勢越明顯，表現(xiàn)為前承臺的位移大于后承臺位移.因此，只有堆場載荷時前承臺呈現(xiàn)明顯的斜向上的移動趨勢，對碼頭前沿港口機械的安裝及穩(wěn)定運行不利，在碼頭施工及運行時應給予注意.

通過對比工況4和6下的位移矢量圖可以看出，土體的運動趨勢大體相同，但在工況6下前承臺受到向下的均布載荷因而靠近海測的岸坡的上翹趨勢減緩，表現(xiàn)為前承臺的位移主要集中于水平方向.在工況4下前承臺位移是由于在堆場載荷作用下土體擠壓使得前承臺上翹，表現(xiàn)為前承臺既有水平向海側(cè)的位移又有向上的位移；而在工況6下由于前承臺受到的豎向力作用抵消其向上的位移，在土的擠壓作用下表現(xiàn)出水平向右的位移.

由圖4和5可以看出樁身的位移主要有2種情形，在工況1，4，6，7下樁身整體位移較大，其余工況下樁身整體位移則較小.通過比較發(fā)現(xiàn)工況1，4，6，7都包含堆場載荷，這說明影響樁身位移的主要因素是堆場載荷.此外由于岸坡土的約束使樁基礎(chǔ)7 m以下的入土段的位移較小且集中，上部的懸空段的位移較大且分散.在7個工況下，樁身向海側(cè)的位移最大不超過20 mm.

由彎矩分布圖(見圖6和7)可以看出，樁身彎矩不會因為堆場載荷是否存在而分為兩種不同的趨勢，各個工況下的樁身彎矩分布情況較樁身位移集中，只是土體以上的樁身彎矩有所變化，變化范圍主要為(-45～20) kN·m.另外，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，高樁碼頭應力最大的部位一般位于叉樁與樁帽的接觸部位.

圖6在工況1～7下前承臺樁身彎矩曲線

圖7在工況1～7下后承臺樁身彎矩曲線

3 結(jié) 論

針對本文的地基情況，對各工況進行基于ABAQUS的數(shù)值模擬，得出結(jié)論：(1) 各工況下碼頭的位移各異，但有規(guī)律可循.總體來說，整個碼頭以向海側(cè)的位移為主.(2) 對于有堆場載荷的工況，無論是前承臺樁基還是后承臺樁基，堆場載荷都是使其產(chǎn)生向海側(cè)位移的主要因素，前、后承臺上的豎向載荷對樁基礎(chǔ)的影響相對較??；在各工況下樁身向海側(cè)的位移最大不超過20 mm.(3) 各個工況下的樁身彎矩分布較樁身位移集中，樁入土段的彎矩很小，僅土體以上懸空段的樁身彎矩較大，最大值的絕對值在45 kN·m以內(nèi).(4) ABAQUS經(jīng)過長期在巖土工程中的應用，已相當成熟和可靠.本文建立的三維高樁碼頭有限元模型可用來研究高樁碼頭的承載性狀.

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