譚文波，劉明維，李輝

（重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074）

0 引言

我國西南地區(qū)河流眾多，水資源極其豐富，水位落差大。目前適用于內(nèi)河大水位差碼頭的結(jié)構(gòu)形式主要有：斜坡碼頭、橋吊碼頭、架空直立式碼頭、墩式碼頭以及分級直立式碼頭。其中框架墩式碼頭具有結(jié)構(gòu)簡單，施工速度快，工程造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，在內(nèi)河碼頭建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前框架墩式碼頭多應(yīng)用于裸巖地基，采用全直樁、多層框架墩式結(jié)構(gòu)。

由于山區(qū)河流地形地質(zhì)復(fù)雜，碼頭受力狀態(tài)復(fù)雜多變，對內(nèi)河框架墩式碼頭的安全性造成了不利影響。船舶撞擊為主的水平荷載作用大且復(fù)雜，龍麗吉等[1]研究分析了船舶速度對墩式結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，且實(shí)踐表明，對于大水位差框架墩式碼頭，船舶撞擊力通常是決定墩式結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素。劉明維等[2]研究了框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)的受力性能，得出高水位水流力對框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響十分明顯的結(jié)論，且三維有限元法可以計(jì)算各種工況下結(jié)構(gòu)的受力及變形。水平荷載往往是導(dǎo)致碼頭失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，海港高樁碼頭中常采用叉樁來約束碼頭水平方向的位移，取得了較好的效果。

參考海港高樁碼頭中叉樁的應(yīng)用，結(jié)合山區(qū)河流的特點(diǎn)，在內(nèi)河碼頭后方岸坡較陡的地形地質(zhì)條件下，提出了增設(shè)斜樁的內(nèi)河框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)新形式，用以改善碼頭結(jié)構(gòu)水平方向的受力狀態(tài)。

本文以某內(nèi)河框架墩式碼頭為背景，通過Midas建立三維有限元模型，在以高水位撞擊力為主的荷載工況下，分析了傳統(tǒng)和增設(shè)斜樁兩種內(nèi)河框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的受力及變形，同時(shí)與增設(shè)斜樁后結(jié)構(gòu)優(yōu)化的碼頭在相同荷載工況下的受力和變形進(jìn)行了對比分析，為類似碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程實(shí)例

重慶某5 000噸級件雜貨框架墩式碼頭，1個(gè)泊位設(shè)有2個(gè)系船墩和2個(gè)工作墩，分層系纜。碼頭設(shè)計(jì)高水位181.50m，設(shè)計(jì)低水位158.02m，設(shè)計(jì)河底高程154.00m。河床呈U字形，河槽較窄，岸坡陡峭，坡頂臺地較高，基巖質(zhì)河床。5根基礎(chǔ)樁采用C30鋼筋混凝土嵌巖鉆孔樁，立柱、橫撐、系靠船梁和上下方承臺采用現(xiàn)澆C30鋼筋混凝土，4根立柱通過垂直間距為4.05～4.7m的橫撐、系靠船梁連接，構(gòu)成整體框架。

碼頭各主要構(gòu)件的尺寸如表1，結(jié)構(gòu)斷面形式如圖1。

表1 主要構(gòu)件尺寸Table 1 Size ofmain com ponents

圖1 某內(nèi)河框架墩式碼頭斷面圖Fig.1 Cross-section of an inland river framework pier wharf

2 增設(shè)斜樁的框架墩式碼頭

針對U字形河床且岸坡較陡的地形地質(zhì)條件，考慮增設(shè)斜樁以分擔(dān)碼頭的水平荷載，從而改善碼頭結(jié)構(gòu)受力，優(yōu)化碼頭結(jié)構(gòu)尺寸，以達(dá)到減小水平位移和節(jié)約投資的目的。

2根斜樁采用直徑為1m，長度為8m的C30鋼筋混凝土嵌巖樁，且斜樁與豎直方向成30°夾角。碼頭斷面形式如圖2。

圖2 增設(shè)斜樁的某內(nèi)河框架墩式碼頭斷面圖Fig.2 Cross-section of an inland river framework pier wharfw ith inclined piles

3 有限元模型

采用Midas結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，取一個(gè)工作墩作為研究對象，承臺為實(shí)體單元，豎向嵌巖樁、斜樁、橫撐、系靠船梁和靠船立柱等采用梁單元建模[3-4]?；炷翉椥阅Ａ咳?×107kN/m2，泊松比為0.2，重度取25 kN/m3，樁基采用一般固定支撐。傳統(tǒng)框架墩式碼頭空間模型共劃分節(jié)點(diǎn)6 319個(gè)，單元4 975個(gè)。增設(shè)斜樁的框架墩式碼頭空間模型共劃分節(jié)點(diǎn)6 321個(gè)，單元4 977個(gè)。

4 荷載條件及作用效應(yīng)組合

結(jié)構(gòu)所承受的荷載包括永久荷載和可變荷載，永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重和固定起重機(jī)自重；可變荷載包括風(fēng)荷載、水流力、系纜力、起重機(jī)荷載、堆貨荷載和撞擊力等。

4.1 永久作用

1）結(jié)構(gòu)自重，在模型中設(shè)置參數(shù)自動(dòng)施加。

2）固定吊自重，其值為2 300 kN。

4.2 可變作用

1） 撞擊力為930 kN。

2） 系纜力460 kN。

3） 水流荷載，水流流速按v=3.0 m/s考慮，根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[5]計(jì)算各構(gòu)件所受的水流力，按均布荷載分布在構(gòu)件上。

4.3 荷載工況組合

以撞擊力為主和以水流力為主的荷載工況組合如下[5]：

Sd1=1.0×[1.2×（結(jié)構(gòu)自重+固定吊自重）+1.5×

撞擊力+0.7×（1.5×水流力）]

Sd2=1.0×[1.2×（結(jié)構(gòu)自重+固定吊自重）+1.5×

水流力+0.7×（1.5×撞擊力）]

本文考慮以撞擊力為主的Sd1荷載工況組合。

4.4 計(jì)算結(jié)果及分析

為了分析框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)的變位值，取碼頭上方承臺4個(gè)頂角上的節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，逆時(shí)針編號 1～4。

結(jié)構(gòu)在水平方向X軸的變位值如圖3，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的變位值對比如圖4。

圖3 結(jié)構(gòu)變位值Fig.3 Structure displacementvalues

圖4 碼頭上方承臺頂端節(jié)點(diǎn)變位值對比圖Fig.4 Com parison of the top node displacementvalueof pile capsabove thewharf

由圖4可以看出，增設(shè)斜樁后，碼頭水平方向的最大變位值由20.9 mm減小為7.2 mm，其余構(gòu)件的變位值也有大幅度減小，增設(shè)斜樁后的碼頭結(jié)構(gòu)水平方向整體變位值減小。

對于增設(shè)斜樁的框架墩式碼頭新型結(jié)構(gòu)，豎向嵌巖樁、斜樁、橫撐和立柱的內(nèi)力值起關(guān)鍵作用，主要構(gòu)件最大內(nèi)力值如表2。

表2 主要構(gòu)件內(nèi)力最大值Table 2 M aximum internal force ofmain com ponents

由表2的結(jié)果可以看出，增設(shè)斜樁的新結(jié)構(gòu)形式能夠有效地改善結(jié)構(gòu)受力，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相比，豎向嵌巖樁的最大彎矩減小了42.5%，最大軸力減小了41.1%，嵌巖樁的最大剪力減小了32.3%。立柱與橫撐的最大彎矩、最大剪力和最大軸力也略有減小。

5 增設(shè)斜樁后的碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

增設(shè)斜樁的新型碼頭結(jié)構(gòu)，雖然受力狀態(tài)得到了較大的改善，但是增大了投資，沒有充分發(fā)揮材料本身的功能，需要對增設(shè)斜樁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。對增設(shè)斜樁的新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，一般考慮去除結(jié)構(gòu)不必要的構(gòu)件以及更改結(jié)構(gòu)尺寸。框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)對稱，施工簡單，本文考慮減小碼頭結(jié)構(gòu)尺寸并去除基礎(chǔ)中間嵌巖樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

豎向嵌巖樁直徑由2m減小到1.5m，橫撐和立柱截面由長×寬=1.5 m×1.5 m減小到1.2 m×1.2 m，系靠船梁截面由長×寬=1.5 m×1.2 m減小到1.2 m×1.2 m，去除中間嵌巖樁。用Midas空間建立模型，在與上文相同的荷載組合工況下，結(jié)構(gòu)在X軸坐標(biāo)系中的變位值如圖3（c），主要構(gòu)件內(nèi)力最大值見表2。

從圖4可以看出，增設(shè)斜樁后優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式最大變位值為15.8 mm，較增設(shè)斜樁的結(jié)構(gòu)形式最大變位值7.2mm有所增加，但仍然比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大變位值20.9 mm小。從圖4和表2可以看出，增設(shè)斜樁后優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式與增設(shè)斜樁的結(jié)構(gòu)形式相比，增設(shè)斜樁后優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式最大彎矩、最大剪力、最大軸力略有浮動(dòng)。經(jīng)過驗(yàn)算，在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下，上述混凝土框架結(jié)構(gòu)能夠承受碼頭荷載工況下的最大內(nèi)力，構(gòu)件的強(qiáng)度滿足要求。

6 經(jīng)濟(jì)比較

對增設(shè)斜樁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，碼頭結(jié)構(gòu)尺寸減小，構(gòu)件數(shù)量減少。對一個(gè)工作墩做概預(yù)算比較如表3。

表3 概預(yù)算比較Table 3 Budget com parison

從表3可以看出，增設(shè)斜樁后優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相比節(jié)約投資約21.0%。

7 結(jié)語

通過增設(shè)斜樁的框架墩式碼頭與傳統(tǒng)框架墩式碼頭的變位值和部分主要構(gòu)件的內(nèi)力值進(jìn)行比較，以及與增設(shè)斜樁后優(yōu)化的結(jié)構(gòu)變位值與主要構(gòu)件內(nèi)力值進(jìn)行比較，可以得出以下結(jié)論：

1）相比于傳統(tǒng)框架墩式碼頭，增設(shè)斜樁后的碼頭能有效減小結(jié)構(gòu)水平方向位移，提高結(jié)構(gòu)自身整體穩(wěn)定性，優(yōu)化碼頭受力狀態(tài)。

2）增設(shè)斜樁后優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式與增設(shè)斜樁的結(jié)構(gòu)形式相比，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式保留了增設(shè)斜樁結(jié)構(gòu)抗水平荷載效果好的優(yōu)點(diǎn)，由于尺寸減小以及部分構(gòu)件的去除，使增設(shè)斜樁后優(yōu)化的新型結(jié)構(gòu)不僅對水流的阻流作用減小，還節(jié)約了工程投資。因此，在地形地質(zhì)條件允許的情況下，建議優(yōu)先選擇增設(shè)斜樁后優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式。

[1]龍麗吉，左旋峰，何光春.大水位差框架墩式碼頭動(dòng)力仿真分析[J].水運(yùn)工程，2012（9）：40-44.LONG Li-ji,ZUO Xuan-feng,HEGuang-chun.Dynamic simulation for fame-pier in riverwith large fluctuation[J].Port&Waterway Engineering,2012(9):40-44.

[2] 劉明維，楊浩，江德飛，等.框架墩式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能有限元分析[J].水運(yùn)工程，2010（9）：51-56.LIU Ming-wei,YANG Hao,JIANG De-fei,et al.Finite element analysisofmechanicalbehaviorof framework pierwharfstruture[J].Port&Waterway Engineering,2010(9):51-56.

[3] 周世良，吳飛橋，左良棟，等.三峽庫區(qū)架空墩式散貨碼頭結(jié)構(gòu)承載性能研究[J].水運(yùn)工程，2010（2）：99-103.ZHOU Shi-liang,WU Fei-qiao,ZUO Liang-dong,etal.Study on bearing capability of over-head pier bulk wharf in the Three Gorges reservoir district[J].Port&Waterway Engineering,2010(2):99-103.

[4] 周世良，吳飛橋，王全，等.三峽庫區(qū)架空墩式散貨碼頭結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[J].港工技術(shù)，2010（3）：25-27.ZHOU Shi-liang,WU Fei-qiao,WANGQuan,etal.Modal Analysison over-head pier bulk wharf in the Three Gorges reservoir district[J].PortEngineering Technology,2010(3):25-27.

[5] JTJ215—98，港口工程荷載規(guī)范[S].JTJ215—98,Code for portengineering load[S].