閻佳安，翟秋，侯捷，成曄

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.天津水運工程勘察設計院，天津 300456）

基于ABAQUS的拱式縱梁碼頭撞擊作用下的動力響應分析

閻佳安1，翟秋1，侯捷1，成曄2

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.天津水運工程勘察設計院，天津 300456）

基于ABAQUS有限元軟件，建立了拱式縱梁碼頭結構的三維實體模型；以碼頭的一個結構段為例，對異?？坎磿r，結構在船舶撞擊力作用下的動力響應特性進行了分析研究；驗證了撞擊力動力時程曲線建模方法的可行性。研究結果表明：由于拱式縱梁碼頭結構的特殊性，宜在建設前期，對拱圈梁和上弦桿夾角處進行加固；材料承載能力滿足碼頭自重要求時，異?？坎磿r船舶撞擊力對該碼頭樁基結構的影響較小。結果可為拱式縱梁碼頭結構在實際工程中的應用提供參考。

拱式縱梁碼頭；異?？坎?；撞擊力；有限元；動力響應

0 引言

近年來，由于對外貿易量的增大，船舶尺度也日漸大型化。2016年，國家發(fā)改委頒發(fā)《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》，根據綱要[1]，未來5 a我國將大力持續(xù)發(fā)展基建，對港口碼頭泊位進行改建或重建以適應吞吐量的需求。而目前我國沿海天然優(yōu)良深水港址稀缺，導致深水碼頭建設逐漸向氣候環(huán)境惡劣的外海延伸，這就要求碼頭結構需要同時滿足承載力、吞吐量以及適應外海環(huán)境的要求。

翟秋等[2-3]提出拱式縱梁碼頭結構形式，該碼頭結構借鑒拱橋中的拱式結構，使得結構在滿足承載能力的基礎上，同時能夠有效減少建設工程的水下工程量，降低工程造價，與現有的普通高樁碼頭結構形式相比，更加具有經濟性。

對于任何碼頭結構來說，船舶撞擊力都是其承受的主要荷載之一。而船舶大型化、靠泊作業(yè)頻繁、管理漏洞以及某些不可抗力因素造成異?？坎词鹿蕰r有發(fā)生[4]。對于拱式縱梁碼頭結構受異?？坎匆鸬拇白矒袅Φ难芯肯鄬^少，給該結構的推廣帶來一定的局限性。

1 拱式縱梁碼頭結構形式

拱式縱梁碼頭結構借鑒了拱橋中的拱式結構，拱式結構具有跨度能力大、造價經濟的優(yōu)勢，而且可以充分利用混凝土優(yōu)越的抗壓性能，與同跨度同荷載的普通縱梁相比，具有截面上彎矩小的優(yōu)點[5]，在材料強度利用上也更為合理、經濟。本文取一個結構段進行分析，具體構件尺寸見圖1。

圖1 拱式縱梁碼頭結構單跨尺寸示意圖（m）Fig.1 Schemes of a single span in wharf with arched longitudinal beams(m)

設計碼頭結構段長度為56 m，寬度為38.4 m。拱式縱梁總高度5 m，從碼頭前沿至后方共設置5根拱式縱梁，其中每兩縱梁之間的橫向間距為8.8 m。一個結構段內設置2個排架，排架間距28 m（即拱的跨徑28 m），拱的矢高3.5 m，矢跨比1/8。橫梁截面尺寸為5.0 m×1.0 m，上弦桿1.5 m×0.8 m，拱圈梁1.5 m×0.8 m，橫向水平撐0.6 m×0.8 m，腹桿0.6 m×0.8 m。兩拱式縱梁的橫向間距為8.8 m，縱梁之間設置的橫向水平撐到橫梁的距離分別為0.5 m、3.1 m、6.56 m、10 m、13.5 m，中面板尺寸為3.2 m×4 m，邊面板尺寸為3 m×4 m，面板厚度均為0.4 m、磨耗層厚度取0.05 m。

基樁采用直徑為1 500 mm的鋼管樁，打入深度按照地質條件選取，軌道梁下的樁基墩臺邊長5.6 m，高1.5 m，墩臺下布置3根鋼管樁；普通縱梁的樁基墩臺長5.6 m，寬3 m，高1.5 m，墩臺下布置2根鋼管樁。布置方式見圖2。

圖2 樁基布置示意圖（m）Fig.2 Layout diagram of pile foundation(m)

2 三維實體有限元計算模型

2.1 工程概況

文中進行的拱式縱梁碼頭結構分析依托上海港某碼頭工程，設計船型為15萬噸級集裝箱船，船舶控制系泊風力為9級，風速22.6 m/s，設計流速1.80 m/s。土體力學性質指標見表1。

表1 工程地質材料力學參數匯總表Table 1 Mechanical property of engineering geological materials

2.2 模型建立

1） 結構建模

研究對象選取拱式縱梁碼頭結構，上部為混凝土結構，樁基為鋼管樁，土體按照實際情況建模，全部采用三維實體單元。用于承擔拱推力的拉桿和吊桿則是采用梁單元。采取材料力學性能指標見表2。

表2 建模材料力學參數匯總表Table 2 Mechanical property of modeling materials

2） 荷載與約束

本文研究船舶異常靠泊時，碼頭受撞擊力作用的動力響應特性。設置在模型上的荷載分別為重力及船舶撞擊力。根據JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》：滿載排水量大于10萬t的船舶法向靠泊速度一般需控制在0.06～0.15 m/s以內。而在異?？坎辞闆r下，船舶靠泊速度按文獻[6]選取控制在0.45 m/s左右，撞擊荷載作用時間為1.0 s。該模型計算時撞擊力采用動力時程曲線的分析方法，加載時間設定為1.0 s，設計荷載為2 574 kN，放大系數取2.0[7]，加載曲線見圖3。根據船舶異常靠泊時的撞擊特點，加載位置見圖4。荷載作用在中跨時，將排架兩端及后端法向自由度約束；當荷載作用在邊跨時，則釋放撞擊側的自由度約束，分別對兩種情況進行隱式動態(tài)分析計算。

圖3 船舶撞擊力輸入時程曲線Fig.3 Curve of the ship′s impact force

圖4 撞擊點示意圖Fig.4 The impact′s site

3 計算結果分析

3.1 動力時程分析方法驗證

選取撞擊中跨情況下，結構出現變形差最大的部件進行分析。離受力點最近的樁靠陸側出現了最不利的水平橫向位移，其中0 s時變形差為12.3 cm，1 s時變形差為12.5 cm。

由于該結構在水平橫向非對稱，導致重力作用影響結構在其方向的位移，所以在分析時需要先將重力引起的水平橫向位移扣除。分析后得出水平橫向位移時程曲線見圖5。

圖5 樁頂水平橫向位移時程曲線Fig.5 Curve of the horizontal displacement of pile block

分析可見，位移時程曲線與動力時程曲線呈正相關關系，符合規(guī)律。所以本文分析拱式縱梁碼頭結構在船舶撞擊作用下的響應情況時，所采用的動力時程分析方法可行。

3.2 上部結構分析

根據ABAQUS軟件分析結果繪制上部結構應力時程曲線見圖6，并對其進行分析。

圖6 上部結構應力時程曲線Fig.6 Stress curves of the upper structure

1） 等效應力分析

船舶撞擊力作用在中跨時，上部結構等效應力最大值出現在橫梁與第二排邊墩臺交界處，最大等效應力值為3.882 MPa；當撞擊力作用在邊跨時，上部結構等效應力最大值出現在第三排拱形縱梁的上弦桿與拱圈梁夾角處，其值為6.01 MPa。

兩種情況下上部結構的最大等效應力均未超過混凝土材料的屈服應力30 MPa，說明材料承載能力仍有富余，符合要求。

2） 主應力分析

上部結構相對于碼頭結構橫斷面是對稱結構，并且船舶撞擊力作用在中跨，故最大主應力出現的位置也相對于碼頭結構橫斷面對稱，此時最大主應力值為4.432 MPa，位置為第二排拱形縱梁的上弦桿與拱圈梁夾角處。撞擊力作用在邊跨時，上部結構的主應力最大值點則出現在受力側第三排拱形縱梁的跨中位置，最大值為7.253 MPa。

3） 比對分析

綜合兩組應力情況進行分析，可得知荷載作用在邊跨情況下，引起的碼頭上部結構應力最大值是荷載作用在中跨時的1.55～1.6倍，這是因為受力側一端為自由端，導致碼頭結構受到較大彎矩作用，應力也隨之增大。此外在結構設計時拱圈梁和上弦桿兩個部件之間會形成一個16°的夾角，在受力過程中容易出現應力集中的現象。為了防止船舶異?？坎磿r可能造成的破壞，在前期建設時可以對此處進行加固，避免出現過小夾角引起集中應力導致構件受力不均最終破壞的現象。

3.3 樁基結構分析

根據ABAQUS分析結果繪制出樁基結構應力與變形情況時程曲線見圖7、圖8，并作出分析。

圖7 樁基結構應力時程曲線圖Fig.7 Stress curves of pile foundation

圖8 樁基結構變形差時程曲線Fig.8 Curves of the deformation difference of pile foundation

1） 等效應力分析

撞擊力分別作用在中跨與邊跨時，樁基結構的最大等效應力點皆出現在與受力點距離最近的樁頂處。最大等效應力值分別為47.29 MPa和52.43 MPa，遠小于普通碳素鋼的屈服應力235 MPa，說明構件滿足承載力要求。

2） 主應力分析

當撞擊力作用在中跨時，樁基結構最大主應力出現在結構后方的邊樁樁頂，最大值為17.37 MPa；當撞擊力作用在邊跨時，樁基結構的最大主應力出現在撞擊側邊樁樁頂，最大值為19.53 MPa。

3） 水平橫向位移分析

根據計算云圖顯示，以上分析討論的兩種情況下，樁基結構出現變形最大的部位均為離受力點最近的樁靠陸側，最大水平橫向變形值分別為12.88 mm和12.71 mm。

以荷載作用在中跨為例，當考慮重力作用時，單根樁的位移差最大可達到12.88 mm；不考慮重力作用時，單根樁的位移最大值不超過6 mm。研究比對可知，在該結構中，重力作用會引起靠海側樁墩臺向海側扭轉，使得結構在水平橫向上的位移相對較大。

4） 比對分析

碼頭建成后，后方陸域對前沿結構有支撐約束作用，當動力時程曲線中力的荷載達到最大時，變形最大的位置出現在樁身上部（距樁頂5～7 m）而不是樁頂；由于土體對樁基的約束作用，離土層越近，其位移越小。樁基入土深度小于20 m的部分和土同時有較小位移；而入土深度大于20 m的部分，樁基位移基本趨于0，土的反力作用使得其位移時程曲線與動力時程曲線不再呈正相關關系。

4 結語

本文利用ABAQUS軟件建立三維實體模型，考慮樁土的相互作用，對拱式縱梁碼頭標準結構段在異常靠泊時的船舶撞擊力作用下的動力響應特性進行分析，并分別從各構件的力學特性切入進行比對研究，得出如下結論：

1）通過動力時程分析方法的驗證，得到了碼頭結構在船舶撞擊力作用下，使用半正弦動力時程曲線進行動力分析的正確性，為今后進一步研究拱式縱梁碼頭結構在撞擊力作用下的動力響應特性提供了有效的方法。

2）通過對上部結構的等效應力、最大主應力的分析，得出在船舶異?？坎磿r，拱式縱梁結構中拱圈梁與上弦桿的夾角處，會出現應力集中。在前期建設時可以對此處進行加固，避免集中應力導致構件受力不均最終破壞的現象。

3）通過對樁基結構的等效應力、最大主應力以及樁身撓度的分析可知，船舶異?？坎磿r造成的撞擊力作用對碼頭樁基結構的影響相對于重力作用較小。所以在進行拱式縱梁碼頭結構動力響應計算分析時，只要樁基結構滿足碼頭自重的承載能力要求，船舶撞擊力的作用可以考慮不計。

[1]國家發(fā)展和改革委員會.中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要[N].人民日報，2016-03-18（001）.National Development and Reform Commission.The 13th 5-year plan for economic and social development of the people′s republic of China[N].People′s Daily,2016-03-18(001).

[2] 翟秋，魯子愛.一種拱式縱梁碼頭結構：中國，CN202157300U[P].2012-03-07.ZHAI Qiu,LU Zi-ai.A new type of wharf structure with arched longitudinal beams:China,CN202157300U[P].2012-03-07.

[3] ZHAI Qiu,LU Zi-ai,ZHANG Shu-hua.Study on structure of arched longitudinal beams of deep-water wharf[J].China Ocean Engineering,2008,22(4):705-711.

[4]李申，鐘小帥.高樁碼頭異?？坎从邢拊抡婺M[J].水運工程，2012（1）：64-68.LI Shen,ZHONG Xiao-shuai.Nonlinear finite element study on damage of high-pile wharf′s abnormal berthing[J].Port&Waterway Engineering,2012(1):64-68.

[5] 魏樂永.拱式結構體系研究[D].上海：同濟大學，2007.WEI Le-yong.Study on arch bridge structure system[D].Shanghai:Tongji University,2007.

[6] 劉昌鳳，滕斌，張俊生，等.碼頭前系泊船舶撞擊速度研究[J].水道港口，2011（3）：161-167.LIU Chang-feng,TENG Bin,ZHANG Jun-sheng,et al.Impact velocity of a moored ship[J].Journal of Waterway and Harbor,2011(3):161-167.

[7]劉紅彪，李宏男.船舶撞擊作用下考慮樁-土相互作用的高樁碼頭結構動力響應分析[J].地震工程與工程振動，2015（1）：50-57.LIU Hong-biao,LI Hong-nan.Study on dynamic response of highpiled wharf under ship impact load considering pile-soil interaction[J].Earthquake Engineering and Engineering Dynamics,2015(1):50-57.

Analysis on dynamic response of wharf with arched longitudinal beams under ship impact force based on ABAQUS

YAN Jia-an1,ZHAI Qiu1,HOU Jie1,CHENG Ye2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China;2.Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China）

Three-dimensional solid model of wharf with arched longitudinal beams was built by finite element software ABAQUS.Taking one structural segment as an example,the dynamic response characteristics of the structure under the impact force caused by abnormal berthing were analyzed and studied.The feasibility of the modeling approach used to input the impact force data was verified.The results show that due to the particularity of the wharf with arched longitudinal beams,the angle part between arch beam and top chord needs to be reinforced in the early stage of the construction.When the material carrying capacities meet the requirements of the wharf's dead-weight,the impact of the ship's impact force caused by abnormal berthing on the wharf pile-supported structures is small.The results may provide a reference for the application of wharf with arched longitudinal beams in engineering.

wharf with arched longitudinal beams;abnormal berthing;impact force;finite element;dynamic response

U656.1

A

2095-7874（2017）10-0032-05

10.7640/zggwjs201710007

2017-03-17

2017-05-30

江蘇省自然科學基金（BK20160865）

閻佳安（1994— ），女，江蘇濱海人，碩士研究生，主要從事港口航道及海岸工程結構研究。E-mail：jiaanhenini@163.com