徐文廣

（泗陽縣交通局，江蘇 泗陽 223700）

1 引言

近十幾年來，結(jié)構(gòu)可靠性理論及其應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，“可靠性設(shè)計”的概念己普遍為工程設(shè)計人員所接受，世界上很多國家都制定了以可靠性理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。1998年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織正式頒布了《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》第二版，這是一個指導(dǎo)世界各國編制或修訂概率極限狀態(tài)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的一個國際性文件。參照這一標(biāo)準(zhǔn)，我國的《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》已修訂完畢并己頒布執(zhí)行。

2 影響可靠度的因素

港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計影響的因素太多，僅荷載就有數(shù)十種之多;短期內(nèi)要進(jìn)行調(diào)查、勘測、統(tǒng)計是不可能的。如碼頭面堆貨荷載、門座起重機(jī)輪壓、波浪力和土壓力等，是碼頭和防波堤的主要荷載，幾年通過對國內(nèi)海河主要港口，大量波浪測站資料和主要砂場、石場，進(jìn)行了大量的調(diào)查、測試和統(tǒng)計分析工作，取得了十分可貴的成果;而船舶系纜力、擠靠力等，對結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度的精度影響不是很大，以后有條件再解決。由于掌握了主要荷載和其他主要變量的統(tǒng)計特征和統(tǒng)計參數(shù)，便對編制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范修訂工作奠定了較好的基礎(chǔ)。而對一些次要荷載和基本變量擬扔主要依據(jù)經(jīng)驗或仍按定值考慮，可不影響標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的必要精度。

沿海、內(nèi)河環(huán)境條件極為復(fù)雜，全面查清其設(shè)計特性，非短時間所能辦到，如此求得的可靠度是否可靠?對此問題，一致的看法是前面實現(xiàn)概率設(shè)計，需要較長的過程，需要分步驟進(jìn)行。目前采用的以分項系數(shù)表達(dá)的概率極限狀態(tài)設(shè)計法，以后逐漸向直接的概率極限狀態(tài)設(shè)計過渡?，F(xiàn)階段這樣做的優(yōu)點(diǎn)是:在掌握了主要的基本變量的統(tǒng)計特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用可靠度理論校準(zhǔn)了按現(xiàn)行設(shè)計相近的分項系數(shù)表達(dá)式，既便于與現(xiàn)行設(shè)計方法相比較，也易為廣大設(shè)計人員接受。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的目標(biāo)可靠指標(biāo)，總體上與現(xiàn)行設(shè)計的可靠度水準(zhǔn)相當(dāng)，對個別不合理的有所調(diào)整，根據(jù)長期的實踐經(jīng)驗，應(yīng)認(rèn)為其可靠性是有保證的。

3 重力式碼頭可靠度分析

重力式碼頭的結(jié)構(gòu)形式主要決定于墻身結(jié)構(gòu)。按墻身的施工方法可分為干地現(xiàn)場澆注的結(jié)構(gòu)和水下安裝的預(yù)制結(jié)構(gòu)。按墻身結(jié)構(gòu)，重力式碼頭可分為方塊碼頭，沉箱碼頭，扶壁碼頭，大圓筒碼頭，格形鋼板樁碼頭，干地施工的現(xiàn)澆混凝土和漿砌石碼頭等。

沉箱是一種巨型的有底空箱，箱內(nèi)用縱橫隔墻隔成若干艙格。沉箱碼頭水下工作量小，結(jié)構(gòu)整體性好，抗震性能強(qiáng)，施工速度快，但其耐久性不如方塊碼頭，需要鋼材多，需要專門的施工設(shè)備和合適的施工條件。一般在當(dāng)?shù)赜锌捎糜陬A(yù)制沉箱的設(shè)施或工程量大，工期短的大型碼頭選用沉箱結(jié)構(gòu)。沉箱按平面形式可分為矩形和圓形兩種。圓形沉箱受力情況較好，一般按構(gòu)造配筋，用鋼量少，箱內(nèi)可不設(shè)內(nèi)隔壁，既省混凝土又大大減輕沉箱的重量;環(huán)形箱壁對水流的阻力小。其缺點(diǎn)是模板比較復(fù)雜，一般適用于墩式棧橋碼頭，特別是水流流速大，冰凌嚴(yán)重或波浪大的地區(qū)。矩形沉箱的制作比較簡單，浮游穩(wěn)定性好，施工經(jīng)驗成熟，一般適用于岸壁式碼頭。矩形沉箱的斷面形式又分為對稱式和非對稱式兩種。對稱式構(gòu)造簡單，便于預(yù)制，浮運(yùn)和安放，是主要采用的斷面形式。非對稱式雖能節(jié)省混凝土，但制作麻煩，采用較少。

3.1 可靠度分析的基本思路

為了確保重力式碼頭的安全性，必須對抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行可靠度的分析，保證其可靠指標(biāo)大于規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)值。影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的主要因素是材料性能，幾何參數(shù)和計算模式，它們都是隨機(jī)變量。港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響因素有很多，但是根據(jù)目前的條件，只能對可靠度影響較大的因素進(jìn)行分析。荷載如碼頭面堆貨荷載，波浪力和土壓力等?？沽σ蛩匕ㄗ灾亓?，摩擦系數(shù)及抗傾力矩計算模式等。由此可定可靠度計算中的基本變量為碼頭面均布荷載，波浪要素中的波高，土壓力計算中的土的重度和內(nèi)摩擦角及碼頭自重力，摩擦系數(shù)，抗傾力矩計算模式等。

3.2 功能函數(shù)

在可靠度分析中，需要確定一個功能函數(shù)

式中，R為結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)，S為荷載效應(yīng)。

在不同的可靠度計算公式中，R和S又都有著不同的意義。對每種組合情況都需作抗滑穩(wěn)定性和抗傾穩(wěn)定性的可靠度計算。

在持久組合抗滑穩(wěn)定性計算中:

式中，G為結(jié)構(gòu)自重；Ev為土壓力引起的豎向作用；Eqv為堆貨荷載引起的豎向作用；PBU為垂直波浪力；EH為土壓力引起的水平作用；EqH為堆貨荷載引起的水平作用；PB為波浪壓力引起的水平作用。

根據(jù)Turksrta組合規(guī)則可知，在可靠度分析中，主導(dǎo)可變作用的基準(zhǔn)期取50年，而非主導(dǎo)可變作用的基準(zhǔn)期取為1年，在無法判斷其孰為主導(dǎo)而孰為非主導(dǎo)時，可逐一確定各個作用為主導(dǎo)作用然后分別求其可靠指標(biāo)，以較小者為最后所求值。當(dāng)隨即變量的基準(zhǔn)期分別取為50年和一年時，其平均值的大小是有所不同的，因為可變作用的分布一般均服從極值I型分布，故在此給出極嘟型分布的參數(shù)轉(zhuǎn)化公式。

為確定隨機(jī)變量SQT的概率分布函數(shù)，將設(shè)計基準(zhǔn)期T分為m個相等的時段，每個時段的長度為τ=T/m。通過統(tǒng)計分析確定時段τ內(nèi)荷載效應(yīng)最大值SQi的概率分布函數(shù)FSQτ(x)。于是，按照極值統(tǒng)計學(xué)的原理，設(shè)計基準(zhǔn)期T內(nèi)最大荷載效應(yīng)SQT的概率分布函數(shù)為

則SQT也服從極傲型分布，其概率分布函數(shù)中的參數(shù)αT和μT式中αT，μT概率分布函數(shù)中的參數(shù)，μT為設(shè)計基準(zhǔn)期為T的隨機(jī)變量的平均值；

由以上公式可知，當(dāng)已知服從極值I型分布某隨機(jī)變量的基準(zhǔn)期為一年的各參數(shù)值即可求得其基準(zhǔn)期為50年的參數(shù)值，反之亦然。

3.3 可靠度分析方法

沉箱碼頭的可靠度分析需要考慮三個方面的問題。

前面介紹了沉箱碼頭的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，可知沉箱碼頭的抗滑穩(wěn)定性考慮的荷載主要包括沉箱自重力，填料土壓力，堆貨荷載產(chǎn)生的土壓力，門機(jī)荷載產(chǎn)生的土壓力，貯倉壓力，系纜力及波浪力。其中以沉箱自重力的豎向作用為可靠度分析的抗力效應(yīng)，以土壓力的水平分力為荷載效應(yīng)。

沉箱碼頭的荷載效應(yīng)S和抗力效應(yīng)R的表達(dá)式均比較復(fù)雜，利用求導(dǎo)數(shù)的可靠度分析方法比較困難。故在此，本章亦采用不使用導(dǎo)數(shù)的一般計算方法，編制程序進(jìn)行計算。

對于沉箱碼頭結(jié)構(gòu)，荷載效應(yīng)計算中涉及堆貨荷載和波浪力可變荷載的組合，由于設(shè)計使用期兩種荷載同時達(dá)到最大值的可能性極小，所以需考慮兩種可變荷載的概率組合。

4 結(jié)束語

在沉箱碼頭的抗滑穩(wěn)定性可靠度分析中，如果按照滿足規(guī)范最小要求來設(shè)計沉箱尺寸的話，其可靠指標(biāo)偏小，不能滿足規(guī)范所要求的可靠指標(biāo)的大小。所以這種邊界設(shè)計并不能滿足要求。如果通過增大沉箱寬度至在所有的組合情況下均能滿足抗力大于荷載，此時持久組合的可靠指標(biāo)均能滿足要求，但短暫組合仍不能滿足。由此可知，短暫組合可作為沉箱碼頭可靠度計算的控制組合。

[1]董聰.現(xiàn)代結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度理論及應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社.2001.

[2]王顯利.工程結(jié)構(gòu)可靠度分析方法綜述.北華大學(xué)學(xué)報.2003.

[3]鄧子勝.工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計的研究與應(yīng)用進(jìn)展.五邑大學(xué)學(xué)報.2001.