龍友立
摘 要:本文針對(duì)西江某內(nèi)河大水位差高樁框架碼頭,采用有限元計(jì)算軟件MIDAS-CIVIL建立空間有限元模型,對(duì)不同水位下船舶靠泊不同位置時(shí)的某高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析,得到了高樁碼頭結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件的位移、彎矩等結(jié)果及其分布規(guī)律。此分析方法及結(jié)果可為同類型碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)使用提供一定參考。
關(guān)鍵詞:大水位差 高樁框架碼頭 船舶靠泊 撞擊力
西江是珠江水系航運(yùn)主干流,為了適應(yīng)西江流域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,保證碼頭在不同時(shí)節(jié)不同水位(水位差大于17m)下船舶均能靠泊使用,而防止船舶頻繁靠泊對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)造成破壞,其最基本的手段就是要求船舶按規(guī)范靠泊的同時(shí)使結(jié)構(gòu)具有一定的防撞能力。這就要求在設(shè)計(jì)階段對(duì)各種作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)和采取合理的防范措施,并對(duì)碼頭的使用運(yùn)營(yíng)提出相應(yīng)要求。本文以某高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)為例,通過有限元計(jì)算軟件MIDASCIVIL建立空間模型進(jìn)行計(jì)算,對(duì)不同水位不同撞擊力作用下的碼頭結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析,此分析方法和結(jié)果可為同類型碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)使用提供一定參考。
1.分析計(jì)算方法
隨著高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展,目前國(guó)內(nèi)外用于高樁碼頭結(jié)構(gòu)分析的方法主要分為平面計(jì)算方法、空間計(jì)算方法和物理模型試驗(yàn)方法。
當(dāng)碼頭縱橫向剛度比較接近時(shí),且結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜,結(jié)構(gòu)空間特性較為顯著時(shí),碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力宜按空間計(jì)算更為合理。
高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)受力具有空間特性。按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算框架碼頭結(jié)構(gòu),其計(jì)算過程可采用矩陣位移法、有限單元法或有限差分法。有限單元法是以彈性力學(xué)為基礎(chǔ),用矩陣進(jìn)行推演,用計(jì)算機(jī)程序作數(shù)值解算,是求解各領(lǐng)域數(shù)理方程的一種通用的近似方法。現(xiàn)有的有限元結(jié)構(gòu)分析程序,如SAP2000、Midas Civil、Ansys、ABAQUS等軟件是國(guó)內(nèi)外都公認(rèn)的通用結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件,本文通過有限元計(jì)算軟件MIDAS-CIVIL建立空間模型進(jìn)行計(jì)算分析。
2.工程概況
本文選取西江某電廠高樁框架碼頭的其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段(長(zhǎng)55.8m,寬22m)進(jìn)行建模分析。
碼頭基礎(chǔ)采用D1300mm鉆孔灌注樁(嵌巖樁),持力層為中風(fēng)化巖層,底高程為-38m。排架間距為7.5m,每個(gè)排架布置4根樁。
上部結(jié)構(gòu)采用適應(yīng)大水位差的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),框架分為4層,全部采用現(xiàn)澆工藝;碼頭系纜設(shè)施采用550kN系船柱;防護(hù)設(shè)施選用DAA400H2000L型橡膠護(hù)舷,間隔布置,間距為2200mm;碼頭前后軌道梁中心距為12m;具體詳見圖1。
3.有限元計(jì)算模型
根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)型式和力學(xué)特點(diǎn),可將其簡(jiǎn)化為桿件系統(tǒng)建立碼頭排架的有限元模型。結(jié)合《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTS 167-1-2010)和有限元分析的原理,采用MIDASCIVIL有限元軟件對(duì)全直樁框架碼頭進(jìn)行計(jì)算,基樁與樁帽間為嵌固連接,根據(jù)嵌固點(diǎn)確定基樁的計(jì)算長(zhǎng)度,樁端固結(jié)約束所有自由度?;炷恋膹椥阅A咳?.25*104Mpa,泊松比取0.2。
3.1碼頭排架的作用荷載與效用分析
碼頭排架的永久作用包括結(jié)構(gòu)自重和傳遞給橫梁的面板自重,鋼筋混凝土重度按25.0kN/m3計(jì)算??勺冏饔冒ù跋道|力、船舶撞擊力、碼頭面均布荷載、碼頭面流動(dòng)機(jī)械荷載和移動(dòng)式卸船機(jī)荷載。本文僅論證分析在不同水位不同船舶撞擊力作用下碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況,故其作用具體荷載如下:
(1)均載: q=20kN/m2。
(2)船舶撞擊力
按靠泊速度0.20m/s計(jì)算,船舶撞擊力為830kN。
3.2荷載作用組合
本文僅論證分析在不同水位不同船舶撞擊力作用下碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況,故荷載作用工況主要為正常使用期的工況,即相同的其他荷載作用+不同的船舶撞擊力作用。將船舶撞擊力分為四種,即:
(1)撞擊力01:設(shè)計(jì)高水位時(shí)作用在碼頭端部;
(2)撞擊力02:設(shè)計(jì)高水位時(shí)作用在碼頭中部;
(3)撞擊力03:設(shè)計(jì)低水位時(shí)作用在碼頭端部;
(4)撞擊力04:設(shè)計(jì)低水位時(shí)作用在碼頭中部。
故荷載作用與作用效應(yīng)組合詳見表1。
3.3有限元模型的建立
為了較準(zhǔn)確的模擬框架碼頭結(jié)構(gòu)的剛度及質(zhì)量分布,模型采用板單元模擬碼頭面板結(jié)構(gòu),采用梁?jiǎn)卧M灌注樁基礎(chǔ)和上部框架結(jié)構(gòu)。碼頭面上的附加質(zhì)量則采用質(zhì)量單元模擬。最終通過MIDAS-CIVIL軟件得到此碼頭結(jié)構(gòu)的有限元分析模型如圖2所示。
4.模型計(jì)算分析
本文通過MIDAS-CIVIL計(jì)算軟件采用不同荷載作用效應(yīng)對(duì)框架碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行計(jì)算,得到此結(jié)構(gòu)段基樁及梁的軸力、彎矩和位移結(jié)果如圖3所示。
根據(jù)分析結(jié)果可知,在船舶撞擊力作用下,此高樁框架結(jié)構(gòu)的碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移均較小,彎矩、位移最大值位于碼頭結(jié)構(gòu)的兩端,彎矩值從大到小依次為組合三(1972kN*m)﹥組合四(1758k N*m) ﹥組合一(1556kN*m) ﹥組合二(1501kN*m)。
由于高樁框架碼頭整體結(jié)構(gòu)剛度高,灌注樁抗彎承載能力強(qiáng),船舶撞擊力作用下各灌注樁的彎矩分布較為均勻,每根灌注樁均能充分發(fā)揮其抗彎能力。因此,高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)比較適宜用于水位差較大的碼頭工程。
5.結(jié)語(yǔ)
本文以西江某電廠高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)為例,通過有限元計(jì)算軟件MIDAS-CIVIL進(jìn)行計(jì)算,對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)在不同船舶撞擊力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明,船舶撞擊力作用下:
(1)船舶撞擊力作用于結(jié)構(gòu)段端部時(shí)位移最大;作用于結(jié)構(gòu)段中間部位時(shí),位移、彎矩均比作用于端部時(shí)小。作用位置由結(jié)構(gòu)段端部向結(jié)構(gòu)段中部,受力的均勻性越來(lái)越大;
(2)對(duì)高樁框架碼頭,船舶撞擊力作用下,水位越低,灌注樁彎矩最大值則越大;
(3)碼頭樁頂彎矩較大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)樁與上部結(jié)構(gòu)連接處的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì);
(4)高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)比較適宜用于水位差較大的內(nèi)河碼頭工程,運(yùn)營(yíng)使用過程中應(yīng)要求船舶按規(guī)范靠泊,盡量讓船舶??颗c碼頭的中部位置。
參考文獻(xiàn):
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