架空斜坡式碼頭在大水位差山區(qū)河流碼頭中的應(yīng)用

程星

摘 要：架空式斜坡碼頭是我國(guó)大水位差（水位差可達(dá)20 m～30 m）山區(qū)河流的最主要碼頭結(jié)構(gòu)形式。因此，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，詳細(xì)分析實(shí)例工程的受力情況，保證碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是工程穩(wěn)定性的重要前提。本文以重慶江津區(qū)魚(yú)尾磧碼頭為實(shí)例工程，借助三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)，研究了在最不利工況下，實(shí)例工程的碼頭自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及岸坡穩(wěn)定性。為實(shí)例工程的建設(shè)提供了穩(wěn)定性支持依據(jù)，也為同類工程的研究計(jì)算提供了參考。

關(guān)鍵詞：架空式斜坡碼頭;大水位差;岸坡穩(wěn)定;樁基應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U656.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 實(shí)例工程概況

本文以重慶江津區(qū)魚(yú)尾磧碼頭為實(shí)例工程。實(shí)例工程位于長(zhǎng)江合川魚(yú)尾磧段。工程段距離重慶主城李家沱河段約75.5 km，地理坐標(biāo)為經(jīng)112°11′21″，北緯32°14′39″。實(shí)例工程碼頭設(shè)計(jì)噸位為3 000噸級(jí)，碼頭主要貨種為件雜貨和干散貨。斜坡坡比為1：2.5，并采用實(shí)心六角塊進(jìn)行護(hù)面。同時(shí)，斜坡采用11根樁基進(jìn)行支撐。

2 三維有限元模型建立

綜合考慮實(shí)例工程的建設(shè)條件、各類三維結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)計(jì)算模型的適用范圍、計(jì)算精度，最終采用ANSYS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行建模分析。

2.1 三維數(shù)模建立及單元網(wǎng)格劃分

采用三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算模型建立，網(wǎng)格劃分采用穩(wěn)定性最好的三角網(wǎng)格網(wǎng)格（在應(yīng)力、荷載傳遞計(jì)算中不容易發(fā)散）間距設(shè)置為5.0 m。經(jīng)劃分，整個(gè)計(jì)算模型共有22 856個(gè)網(wǎng)格、37 530個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

2.2 模型主要參數(shù)定義

根據(jù)魚(yú)尾磧碼頭的實(shí)際情況，各部分材料的特征參數(shù)如下：

擋土墻為C40混凝土，密度為2 400 kg/m3，內(nèi)摩擦角為14.0°，彈性模量為30.5 GPa;地基土以粉質(zhì)粘土為主，密度為2 020 kg/m3，內(nèi)摩擦角為25.8°，彈性模量為0.12 GPa。

同時(shí)，根據(jù)對(duì)實(shí)例工程的分析，實(shí)例工程受到以下外部荷載：均布荷載（30 kPa，豎直向下）;水流壓強(qiáng)（10.45 kPa，垂直于作用面）。

3 數(shù)模計(jì)算及結(jié)果分析

根據(jù)大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，架空斜坡式碼頭在最高通航水位下的穩(wěn)定系數(shù)最小，最容易受到滑移、傾覆破壞。因此，本文主要分析在最高通航水位下，碼頭自身的受力情況，以及碼頭岸坡穩(wěn)定情況。

3.1 碼頭樁基應(yīng)力分布云圖

對(duì)碼頭樁基進(jìn)行編號(hào)處理，令碼頭斜坡底部的樁基編號(hào)為1#，然后依次向上，編號(hào)分別為2#、3#，直至11#。

根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，實(shí)例工程碼頭的壓應(yīng)力分布和拉應(yīng)力分布云圖依次見(jiàn)圖1與圖2。分析可知：

（1）實(shí)例工程最大壓應(yīng)力主要分布在8#樁基和9#樁基，最大壓應(yīng)力為9.85 MPa，小于C40混凝土20 MPa的抗壓要求，符合規(guī)范。

（2）實(shí)例工程的最大拉應(yīng)力分布區(qū)域與最大主壓應(yīng)力分布區(qū)域一致，也在8#樁基和9#樁基。經(jīng)計(jì)算，最大拉應(yīng)力為1.6 MPa。小于C40混凝土2.0 MPa的抗拉要求，符合規(guī)范。

進(jìn)一步分析可知，實(shí)例工程的主要拉應(yīng)力分布在T梁的跨中截面區(qū)域。建議對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加筋防護(hù)。

3.2 碼頭樁基形變值分布分析

根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，在最高通航水位工況下，實(shí)例工程碼頭在水平、豎直兩個(gè)方向形變值分布云圖見(jiàn)圖3，分析可知：

（1）1#至3#墩臺(tái)結(jié)構(gòu)在水平、豎直兩個(gè)方向的變形值都非常小（0.01 cm～0.05 cm）。而4#至11#樁基的變形值都相對(duì)較大（0.08 cm～0.15 cm）。最大值出現(xiàn)在 Y軸負(fù)方向，最大值為0.15 cm，小于規(guī)范要求的0.25 cm安全值，滿足規(guī)范。

（2）4#至11#樁基（尤其是Z軸方向）受到水流沖擊作用影響較大，在8#樁基和9#樁基，最大值為0.098 cm。因此，應(yīng)當(dāng)在上部橫梁布置時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗橫向受力的加勁肋或橫隔梁，增加實(shí)力工程橫向受力穩(wěn)定，保證實(shí)例工程結(jié)構(gòu)安全。

（3）樁基的變形會(huì)傳遞、影響接觸的土體，從而使得土體產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，抵消一部分變形作用。在實(shí)例工程中，有土體覆蓋的區(qū)域，樁基底部變形值相對(duì)較小，安全穩(wěn)定性相對(duì)更高。

3.3 岸坡土體形變值分析

根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步分析岸坡土體形變值。分析可知：

（1）總體來(lái)看，魚(yú)尾磧碼頭工程岸坡土體的形變值在0.02 cm～0.17 cm范圍內(nèi)。

（2）1#至3#墩臺(tái)結(jié)構(gòu)接觸的土體部分形變值較小。基本分布在0.02 cm～0.08 cm范圍內(nèi)。

（3）4#至11#樁基接觸的土體變形值相對(duì)較大，基本分布在0.05 cm～0.17 cm范圍內(nèi)，且基本在表層土體區(qū)域。在中深層土體，變形值基本趨近于0。

（4）變形值最大的土體為與8#樁基和9#樁基接觸的土體部分。產(chǎn)生較大變形值的原因主要有陸域后方土體滑坡推力的影響，以及受水流力的作用效應(yīng)影響。

4 結(jié)論

本文選擇重慶江津區(qū)魚(yú)尾磧碼頭作為實(shí)例工程。借助ANSYS三維有限元數(shù)值模擬軟件，分析了實(shí)例工程最不利工況（最高通航水位下），碼頭自身的應(yīng)力分布情況，以及碼頭范圍內(nèi)的形變分布情況。研究結(jié)果顯示，在最不利工況下，魚(yú)尾磧架空式斜坡碼頭的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力最大值均滿足規(guī)范要求，碼頭整體的形變值較小，且岸坡基本保持穩(wěn)定。因此，實(shí)例工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，符合規(guī)范要求。

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