實例探析某碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值模擬

王鑫

摘要：通過某碼頭的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計，實現(xiàn)了碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用規(guī)范的方法對其穩(wěn)定性進行了檢驗。同時，采用ANSYS有限元分析軟件建立碼頭模型，檢查碼頭的穩(wěn)定性和安全性以及各部件的響應(yīng)分析，并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：沉箱碼頭；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元法；響應(yīng)分析

1 工程簡介

該港區(qū)具有明顯的地理優(yōu)勢。它不僅位于渤海經(jīng)濟區(qū)與東北經(jīng)濟區(qū)的交界處，而且是東北三省離內(nèi)蒙古腹地最近的河口。低運輸成本的優(yōu)勢使其具有更大的發(fā)展空間。

港口年平均氣溫10°C，水流流速每秒約1m，一般水流方向與船舶縱軸幾乎平行；有防波堤防護。設(shè)計高水位4.25m，設(shè)計低水位0.19m，極端高水位5.32m，極端低水位-0.502m。

2 碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 碼頭高程確定

根據(jù)水位資料，確定碼頭高程設(shè)計參數(shù)，碼頭前沿設(shè)計水深8.0m，碼頭前沿頂高程5.75m，碼頭前沿底高程-7.81m。

2.2 碼頭結(jié)構(gòu)的確定

沉箱長14m，沉箱高10m，胸壁高3.56m，沉箱寬7m，包括前束和后束各1m懸臂。沉箱的縱橫隔墻應(yīng)對稱布置。沉箱各部分的具體尺寸如圖1和圖2所示：

2.3 碼頭結(jié)構(gòu)計算

碼頭各水位下作用分布見圖3和圖4。

3 有限元模型的建立

沉箱采用Shell181單元，箱壁采用Solid65。將沉箱和胸壁視為線性彈性材料。這張床是一個45單位的純色床。床下基礎(chǔ)為粉質(zhì)粘土，采用D-P彈塑性模型。如圖5所示。

作用在碼頭模型上的力是結(jié)構(gòu)自重，在該設(shè)計中，僅考慮兩種組合，一種是在高水位下系泊力的非主導(dǎo)變量作用的效果組合，另一種是在低水位下非主導(dǎo)變量作用的效果組合。根據(jù)每種組合中載荷的大小，位置和方向，將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)模型。

4 結(jié)論

4.1碼頭穩(wěn)定性方面

4.1.1抗傾抗滑穩(wěn)定性分析

基床表面和沉箱底部之間的摩擦系數(shù)是0.6。碼頭的抗滑分析顯示最大摩擦力大于水平應(yīng)力之和，表明碼頭結(jié)構(gòu)不會向海洋移動，從而滿足防滑要求。

4.1.2 碼頭位移方面

碼頭結(jié)構(gòu)自上而下位移逐漸減小，胸壁水平位移最大，為1.75cm，前趾位移最小，為0.66mm，說明整個碼頭有前傾的趨勢，與規(guī)范方法的結(jié)果一致。對比兩幅圖，設(shè)計在低水位時的水平位移變化比設(shè)計高水位時的水平位移變化更為顯著，說明碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計高水位時比設(shè)計低水位更為穩(wěn)定。

4.1.3 基床及地基承載力分析

（1）基床承載力，基床底面最大應(yīng)力滿足承載力要求。

（2）地基承載力，最大應(yīng)力滿足承載力要求。

4.2 碼頭各部件的響應(yīng)

仔細觀察碼頭的組成部分包括胸墻、沉箱側(cè)板、隔墻和從上到下的底板。會發(fā)現(xiàn)碼頭的各部件響應(yīng)是有所不同。

4.2.1 橫縱隔板受力的不同

在實踐中，我們可以通過計算縱隔壁的加固來避免由前后倉庫的不同儲存壓力造成的縱隔壁損傷，而橫壁可以平衡前后倉庫的儲存壓力，所以在滿足施工加固時，盡可能減少不必要的加固。

4.2.2 側(cè)板受力分析

由于筒倉壓力的影響，側(cè)板上有明顯的應(yīng)力變化，離倉中心越近，應(yīng)力越大。最大應(yīng)力不超過混凝土材料規(guī)定的抗拉強度。

參考文獻

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（作者單位：黑龍江省航務(wù)勘察設(shè)計院）