新型筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)分析

陳 宇，孫熙平，焉 振，張寶華

(1.中國(guó)民航大學(xué) 機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300； 2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

目前，沿海近岸自然條件優(yōu)越的港址大部分已被開發(fā)利用，離岸深水甚至深海大型港口建設(shè)是今后我國(guó)港口工程發(fā)展的方向。然而，離岸無掩護(hù)深水碼頭結(jié)構(gòu)所受波流力、船舶擠靠力等外荷載水平力較大，以及遠(yuǎn)海環(huán)境碼頭結(jié)構(gòu)施工困難等問題一直成為離岸深水碼頭建設(shè)的難題。

重力式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)是碼頭結(jié)構(gòu)主要的兩種基礎(chǔ)形式，且其經(jīng)過多年的發(fā)展已成為我國(guó)近岸碼頭建設(shè)最成熟的基礎(chǔ)形式。這兩種基礎(chǔ)形式若建設(shè)在離岸深水環(huán)境中存在較多問題，如重力式碼頭結(jié)構(gòu)由于迎水面較大導(dǎo)致其所受波流力過大影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性；樁基礎(chǔ)形式碼頭可以有效減小波流力作用，但其在外海環(huán)境施工困難。為了適應(yīng)外海惡劣的地質(zhì)條件，已有研究學(xué)者開發(fā)了筒型基礎(chǔ)[1]，其基礎(chǔ)為一頂面封閉的筒體或箱體。筒型基礎(chǔ)可在陸地預(yù)制成型，通過氣浮整體拖運(yùn)，抽負(fù)壓下沉方式插入地基，施工方便，建設(shè)周期短，特別適合于軟土地基的結(jié)構(gòu)物[2-3]。

關(guān)于筒型基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是結(jié)構(gòu)使用期的整體穩(wěn)定性計(jì)算[4]。武慶衛(wèi)[5]分析了箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在波浪作用和地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)問題，結(jié)果表明該基礎(chǔ)形式表現(xiàn)出良好的整體穩(wěn)定性。肖忠等[6]根據(jù)天津港筒型基礎(chǔ)防波堤的結(jié)構(gòu)特性，建議了此種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的四種判別標(biāo)準(zhǔn)，分析了這種新型防波堤的失穩(wěn)模式主要為繞基礎(chǔ)筒底以下某點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)。

為了解決離岸深水環(huán)境水平荷載力較大且施工難度大的問題，本文綜合筒型基礎(chǔ)和高樁碼頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)一種適用于遠(yuǎn)海環(huán)境的筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)，然后基于LS-DYNA有限元軟件建立筒型透空式碼頭標(biāo)準(zhǔn)單元的精細(xì)化有限元模型，提出結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)判別準(zhǔn)則，探討其水平承載特性。

1 筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)

圖1 筒型透空式碼頭標(biāo)準(zhǔn)單元Fig.1 Standard cell of the open wharf structure with bucket foundation

本文針對(duì)遠(yuǎn)海地質(zhì)和水文環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，以筒型基礎(chǔ)為碼頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，提出了筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)形式。圖1所示為筒型透空式碼頭單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元斷面示意圖。該碼頭結(jié)構(gòu)由筒型基礎(chǔ)、承重柱和碼頭承臺(tái)面板組成。如圖1所示，本文所述筒型基礎(chǔ)橫截面為圓形，根據(jù)設(shè)計(jì)需要也可拓展為橢圓形，筒壁底部為尖角形式，減小施工過程中沉入地基的阻力；承重柱底部與筒型基礎(chǔ)頂板固定，上部與承臺(tái)面板固定，承重柱數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算確定，承重柱之間形成透空形式，波流可繞過承重柱，因此波流力較小。離岸深水碼頭結(jié)構(gòu)系纜墩可采用單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，碼頭工作平臺(tái)可由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元通過可靠的基礎(chǔ)連接組合而成。本文重點(diǎn)研究所提出的筒型透空式碼頭單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的承載特性。

2 結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

有限元分析方法可以模擬土與結(jié)構(gòu)的相互作用、土與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特性，已成熟應(yīng)用于地基承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析方面[7-8]?；谟邢拊治龇椒ń⑼残屯缚帐酱a頭結(jié)構(gòu)與地基組成的系統(tǒng)彈塑性有限元模型，其基本內(nèi)容包括：土體計(jì)算域的選取及其邊界條件、結(jié)構(gòu)及土體本構(gòu)模型、土體與結(jié)構(gòu)接觸面模擬。

2.1 土體計(jì)算域的選取及邊界條件

土體計(jì)算域的選取按文獻(xiàn)[7]的方法在垂直筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的軸線方向，向兩側(cè)各取結(jié)構(gòu)水平尺寸的5倍，筒底以下土體深度取基礎(chǔ)筒長(zhǎng)的3倍。計(jì)算土域的邊界條件如下：地基表面為自由邊界，底面為固定邊界，土體側(cè)面為側(cè)限邊界。

2.2 結(jié)構(gòu)和土體本構(gòu)模型

碼頭結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土材料或鋼材制成，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞主要為地基土體的破壞，研究中主要分析筒體基礎(chǔ)的破壞模式，故在有限元分析中碼頭結(jié)構(gòu)的筒型基礎(chǔ)和承重柱均采用彈性模型，在LS-DYNA中采用*MAT_ELASTIC模型[9]。同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)各部分連接牢固，有限元分析中對(duì)其進(jìn)行整體建模。地基土體采用LS-DYNA軟件中的*MAT_MOHR_COULOMB模型[10]，該模型可以較好地描述巖土材料的強(qiáng)度特性和破壞行為，模型中需輸入土體參數(shù)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ值，其值可以通過各種不同的常規(guī)試驗(yàn)測(cè)定。

在碼頭結(jié)構(gòu)建立的三維彈塑性有限元模型中，為了模擬基礎(chǔ)和土體之間的相互作用，土體和基礎(chǔ)均采用精細(xì)化有限元模型，建模過程中土體和基礎(chǔ)均采用八節(jié)點(diǎn)常應(yīng)力實(shí)體單元。碼頭結(jié)構(gòu)中的承重柱采用梁?jiǎn)卧?，其碼頭面荷載等效為豎向均布荷載。

2.3 土體與結(jié)構(gòu)接觸面模擬

為了模擬土體與碼頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)間的相互作用，在結(jié)構(gòu)與土體相接觸的區(qū)域建立主從接觸面[6]，以考慮荷載作用下結(jié)構(gòu)與周圍土體間的粘結(jié)、滑移、脫離現(xiàn)象。同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的彈性模量遠(yuǎn)大于土體的彈性模量，所以指定結(jié)構(gòu)上的接觸面為主接觸面，土體上的接觸面為從接觸面，在LS-DYNA中采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE可以實(shí)現(xiàn)。

3 水平荷載作用下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析方法

3.1 水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析步驟

圖2 荷載-位移關(guān)系曲線Fig.2 Load-displacement curve

采用有限元方法進(jìn)行荷載作用下筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析的步驟如下：(1)建立有限元分析模型；(2)在碼頭結(jié)構(gòu)頂部以位移控制方法加載水平荷載，用以模擬系纜力的作用，提取有限元分析模型計(jì)算基礎(chǔ)頂部的位移和對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)反力，并逐步加載直至結(jié)構(gòu)完全失穩(wěn)；(3)繪制力-位移關(guān)系曲線；(4)依據(jù)結(jié)構(gòu)的力-位移關(guān)系曲線確定結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)；(5)根據(jù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)，確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載，該荷載定義為結(jié)構(gòu)的水平極限承載力。

3.2 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)的荷載-位移關(guān)系曲線，將結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)過程分為三個(gè)階段(圖2)。

(1)彈性階段。在水平力不是很大的情況下，大部分土體處于彈性狀態(tài)，荷載-位移曲線大體呈線性關(guān)系。

圖3 筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)分析模型(單位：m)Fig.3 Analytical model of the open wharf structure with bucket foundation (unit: m)

(2)塑性發(fā)展階段。當(dāng)作用的水平力繼續(xù)增大，土體逐漸進(jìn)入屈服階段，土體的塑性區(qū)逐漸擴(kuò)展。

(3)失穩(wěn)階段。當(dāng)水平荷載超過最大水平承載力時(shí)，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，位移增加幅度變快，荷載-位移曲線出現(xiàn)較明顯拐點(diǎn)，結(jié)構(gòu)處于傾覆失穩(wěn)階段。

4 筒型透空式碼頭水平承載特性分析

4.1 分析模型

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil parameters

為了分析所提出的筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)的水平承載特性。依托某遠(yuǎn)海碼頭工程，設(shè)計(jì)了所提出碼頭結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)單元，其結(jié)構(gòu)分析模型的斷面圖如圖3所示。該碼頭標(biāo)準(zhǔn)單元由1個(gè)筒型基礎(chǔ)、4根承重柱和承臺(tái)面組成。筒型基礎(chǔ)尺寸：筒長(zhǎng)10.0 m，半徑4.0 m，壁厚0.5 m、頂板厚1.0 m。承重柱尺寸：長(zhǎng)20.0 m，直徑2.5 m。承臺(tái)面尺寸：長(zhǎng)、寬、厚度分別為6 m、6 m、0.5 m。該碼頭結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土制成，鋼筋混凝土密度為25 kN/m3，因此承臺(tái)面分配給4跟承重柱的豎向荷載為112.5 kN。承重柱和筒型基礎(chǔ)均采用彈性模型，其彈性模量取3.0×104N/mm2。設(shè)計(jì)采用的工程地質(zhì)剖面由上至下分為4層，依次為淤泥層、粉質(zhì)黏土、粉土層和粉砂層，土層主要性能參數(shù)見表1所示。

圖4 筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Finite element model of the open wharf structure with bucket foundation圖5 有限元模型的剖面圖Fig.5 Cross-section of the finite element model

4.2 水平承載特性

按第3節(jié)的方法建立筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖4和圖5所示。在所建立的碼頭結(jié)構(gòu)有限元模型的頂部施加水平位移荷載，獲得結(jié)構(gòu)的力-位移關(guān)系曲線；提取不同深度土體的土壓力，分析土壓力隨深度的變化情況；分析筒型透空式碼頭和地基土體組成系統(tǒng)在水平荷載作用下的承載特性和破壞模式。

圖6 筒型基礎(chǔ)的力-位移曲線Fig.6 Force-displacement curve of the bucket foundation

圖6給出了筒型透空式碼頭筒型基礎(chǔ)的力-位移關(guān)系曲線。從圖中可以看出，水平位移在0～32 mm之間，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，當(dāng)位移達(dá)到32 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)地基達(dá)到水平屈服承載力，其值為2 973 kN；然后隨著位移增大，結(jié)構(gòu)地基反力增長(zhǎng)趨緩，結(jié)構(gòu)地基處于塑性發(fā)展階段；當(dāng)位移達(dá)到110 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)地基達(dá)到極限承載力，其值為4 096 kN；最后，隨著位移增大，地基承載力降低，結(jié)構(gòu)地基處于失穩(wěn)階段。

圖7給出了筒型透空式碼頭式結(jié)構(gòu)筒型基礎(chǔ)的破壞模式。從圖中可以看出，在水平荷載作用下筒體底部出現(xiàn)橫向剪切破壞，受壓側(cè)土體在筒底部沿45°發(fā)生斜向向上剪切破壞，在筒體頂部沿45°發(fā)生斜向向下剪切破壞，其受壓側(cè)土體形成楔形剪切破壞面，結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移的同時(shí)發(fā)生整體轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 筒型基礎(chǔ)的破壞模式Fig.7 Failure mode of the bucket foundation

圖8 屈服位移32 mm對(duì)應(yīng)不同土層深度的受壓側(cè)土體土壓力Fig.8 Soil side pressure in various depths under yield displacement (32 mm)圖9 極限位移110 mm對(duì)應(yīng)不同土層深度的受壓側(cè)土體土壓力Fig.9 Soil side pressure in various depths under ultimate displacement (110 mm)

圖10 不同筒長(zhǎng)的筒型基礎(chǔ)力-位移曲線Fig.10 Force-displacement curve of the bucket foundation with different length

圖8給出了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)達(dá)到水平屈服位移32 mm時(shí)不同深度處基礎(chǔ)受壓側(cè)土體的土壓力。從圖中可以看出，隨著土層深度的增加，土壓力隨之增大，符合庫(kù)倫被動(dòng)土壓力的分布規(guī)律。圖9給出了當(dāng)結(jié)構(gòu)地基達(dá)到極限位移110 mm時(shí)不同深度處基礎(chǔ)受壓側(cè)土體的土壓力，從圖中可以看出，隨著土層深度的增加，土壓力先增大后減小，這是由于隨著水平荷載增大，筒體發(fā)生整體轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致土壓力隨深度分布發(fā)生變化，由于筒體轉(zhuǎn)動(dòng)的原因?qū)е孪虏客馏w土壓力較中部土體小，因此出現(xiàn)中部土體土壓力最大的情況出現(xiàn)。

4.3 筒長(zhǎng)的影響

為了分析筒長(zhǎng)對(duì)筒型基礎(chǔ)承載力的影響，改變圖3中筒長(zhǎng)的大小，分別取10.0 m、12.5 m和15.0 m，其他尺寸與4.1節(jié)相同。圖10給出了不同筒長(zhǎng)的筒型基礎(chǔ)的力-位移曲線。從圖中可以看出，筒長(zhǎng)為10.0 m、12.5 m和15.0 m，其水平屈服位移分別為32 mm、33 mm和34 mm，水平極限位移分別為110 mm、97 mm和91 mm，以筒長(zhǎng)10.0 m為基準(zhǔn)，筒長(zhǎng)為12.5 m和15.0 m的水平屈服位移分別增大3.1%和6.3%，極限位移分別減小11.8%和17.3%。表明隨著筒長(zhǎng)的增加，其水平屈服位移有增大趨勢(shì)，極限位移有減小的趨勢(shì)。同時(shí)從圖中可以看出，筒長(zhǎng)為10.0 m的結(jié)構(gòu)地基的水平屈服承載力為2 973 kN，極限承載力為4 098 kN；筒長(zhǎng)為12.5 m的結(jié)構(gòu)地基的水平屈服承載力為4 494 kN，極限承載力為6 406 kN；筒長(zhǎng)為15.0 m的結(jié)構(gòu)地基的水平屈服承載力為5 655 kN，極限承載力為7 671 kN；以筒長(zhǎng)10.0 m為基準(zhǔn)，筒長(zhǎng)為12.5 m和15.0 m的水平屈服承載力分別提高51.2%和90%，極限承載力分別提高42.5%和89%。因此，增加筒長(zhǎng)可明顯提高結(jié)構(gòu)地基的水平承載力，相對(duì)而言對(duì)結(jié)構(gòu)地基的水平屈服位移和極限位移影響較小。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)離岸深水環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合筒型基礎(chǔ)和高樁碼頭優(yōu)勢(shì)，本文提出了筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)型式。

(2)根據(jù)筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了碼頭結(jié)構(gòu)的水平失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)，將筒型基礎(chǔ)在水平荷載作用下的失穩(wěn)過程分為三個(gè)階段，即彈性階段、塑性發(fā)展階段和失穩(wěn)階段。

(3)建立了筒型透空式碼頭結(jié)構(gòu)三維彈塑性有限元模型，研究表明筒型基礎(chǔ)周圍土體在水平荷載作用下發(fā)生楔形破壞模式，增加筒長(zhǎng)可顯著增加基礎(chǔ)的水平屈服承載力和極限承載力，但對(duì)基礎(chǔ)的水平屈服位移和極限位移影響較小。