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        基于可靠度理論計算重力扶壁式碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
        ——以泰州內(nèi)河港7B碼頭工程為例

        2021-01-14 01:39:32
        黑龍江交通科技 2020年12期
        關(guān)鍵詞:扶壁港池表達式

        陶 源

        (中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司,江蘇 南京 210014)

        1 前 言

        重力扶壁式碼頭具有自重荷載大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、容易施工和檢修、取材簡單、對冰凍等不利工況適應能力強等優(yōu)點,被廣泛應用于內(nèi)河航運中。據(jù)統(tǒng)計,2010~2016年中,重力扶壁式碼頭占全江蘇新建碼頭調(diào)查樣本的比例高達37.3%,是目前最常見的內(nèi)河碼頭結(jié)構(gòu)型式之一。

        重力扶壁式碼頭的缺點也同樣明顯,即對抗滑、抗傾覆能力相對較差。據(jù)不完全統(tǒng)計,筆者搜集到的311起重力式扶壁碼頭失事樣本中,因碼頭滑移、傾覆導致失事的比例高達55.3%。因此,在碼頭設(shè)計階段就重視抗滑、抗傾覆能力,并針對性地制定相應的對策措施,對于重力式碼頭的發(fā)展和應用具有重要意義。

        在《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》(JTS 167-2-2018)的附錄D中,提出了可靠度指標的概念,并提出了基于可靠度指標進行碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算的新方法。針對這一新方法提出時間較短,概念尚未普及且未廣泛應用,本文擬將這一概念理論引用至重力扶壁式碼頭結(jié)構(gòu)計算中,首先詳細分析可靠度指標的概念及定義,然后以泰州內(nèi)河港7B碼頭工程為實例,詳細介紹基于可靠度理論計算重力扶壁式碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的具體方法。

        2 可靠度指標的概念與定義

        將概率論的理念引入至構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算中來,碼頭在復雜環(huán)境條件ζ下,在時間t內(nèi)維持穩(wěn)定運行的概率表達定義式如下。

        R(t)=f(t,ζ)

        (1)

        將所有作用在碼頭結(jié)構(gòu)上的荷載簡單地分為承載力fc和荷載效應S,因此,顯然可知,碼頭結(jié)構(gòu)失效的表達式即承載力小于荷載效應的概率,表達式如下:

        (2)

        式中,ffc(f)為碼頭結(jié)構(gòu)承載力fc的概率密度函數(shù);fs(S)為碼頭結(jié)構(gòu)所受的荷載效應S的概率密度函數(shù)。Z為碼頭結(jié)構(gòu)功能狀態(tài)的函數(shù),表達式如下:

        Z=g(fc,S)=fc-S

        (3)

        假設(shè)fc與S均服從正態(tài)分布,則根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計的基本概念,可以根據(jù)式(3)分別求得碼頭結(jié)構(gòu)的功能狀態(tài)Z的平均值與標準差:

        μz=μfc-μs

        (4)

        (5)

        因此,根據(jù)正態(tài)分布函數(shù)的幾何關(guān)系,可將式(2)中的失效概率轉(zhuǎn)換為以下情況:

        Pf=P(Z<0)=Fz(0)=

        (6)

        根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》(JTS 167-2-2018)對可靠度物理量的定義,表達式如下:

        (7)

        將式(7)代入式(6),并且令:

        (8)

        對式(8)等式兩邊對時間t進行微分處理,可將表達式轉(zhuǎn)換為:

        dz=σzdt

        (9)

        根據(jù)上述變化,代入到式(6),可得到可靠度指標的具體表達式

        (10)

        3 扶壁式碼頭受力分析及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算式分析

        重力式扶壁碼頭主要通過肋板與立板來產(chǎn)生擋土左右,保證碼頭各部分連成整體。扶壁碼頭肋板施工主要在現(xiàn)場澆筑。該類型碼頭施工工藝簡單、施工速度快。

        根據(jù)重力式扶壁碼頭的受力分析,可得到其抗滑穩(wěn)定性功能函數(shù)以及扶壁碼頭的抗傾覆穩(wěn)定性功能函數(shù)分別見式(11)和式(12)。

        Zs=fG-(EhKp1+PW+Eqh+ERH)

        (11)

        Zu=Kp2Mfb-(Kp1Mh+Mpw+Mq+MPR)

        (12)

        式中,f為摩擦系數(shù);G為碼頭總自重;Eh為豎向土壓力;Kp1為主動土壓力系數(shù);Pw為剩余水壓力;Eqh為作用在碼頭面荷載的豎向分力;ERH為系纜力的豎向分力。

        4 實例工程概況

        4.1 工程地理位置

        本工程位于泰州城北物流園區(qū)西南部,泰州市新通揚運河北岸,新通揚運河與引江河的丁字交叉口西側(cè)約1.1 km處,《泰州市城北物流園區(qū)控制性詳細規(guī)劃》中7B號內(nèi)河港池地塊。

        4.2 地形地貌

        泰州市海陵區(qū)內(nèi)以通揚公路為界,北部屬里下河平原區(qū),南部屬長江三角洲平原區(qū)。均為地質(zhì)年代的第四系沉積物所覆蓋。地面以下400~1 400 m的基巖是玄武巖的“古潛山”。本區(qū)為揚子準地臺的一部分,地質(zhì)屬新生代。境內(nèi)構(gòu)筑地基的結(jié)構(gòu)層,由于成因類型各異,構(gòu)成地基土也截然不同,因其上部地基土承載力標準值不同,大體上可分為良好區(qū)、軟土區(qū)、雜填區(qū)和不良區(qū)4個工程地質(zhì)區(qū)。全區(qū)地勢平坦,南高北低,南部多屬平地,北部河網(wǎng)密布,地面標高2.6~5.5 m,最高處岳阜標高20.28 m。

        4.3

        實例工程處的地質(zhì)性質(zhì),自上而下分為5個層次。場地內(nèi)土層分布較均勻。各土層自上而下描述如下:

        (1)層耕土:灰褐色,松散,稍濕,主要由粉質(zhì)粘土組成,上部含植物根等。場區(qū)普遍分布,厚度:0.80~1.80 m,平均0.90 m;層底標高:0.65~2.11 m,平均1.74 m;層底埋深:0.80~1.80 m,平均0.90 m。

        (2)-1層粉質(zhì)黏土:灰褐色,濕,軟塑~可塑,稍有光澤,中等干強度,中等韌性。場區(qū)普遍分布,厚度:1.7~3.20 m,平均2.70 m;層底標高:-2.25~2.11 m,平均-0.73 m;層底埋深:0.80~4.00 m,平均3.44 m。

        (3)-2層粉質(zhì)黏土夾黏土:黃褐色,濕,可塑~硬塑,光澤,高干強度,高韌性,含鐵錳結(jié)核。場區(qū)普遍分布,厚度:5.10~8.20 m,平均6.03 m;層底標高:-9.36~-6.08 m,平均-6.98 m;層底埋深:7.80~12.20 m,平均9.67 m。

        (4)層粉土:灰黃~灰色,含鈣質(zhì)結(jié)核,很濕,稍密~中密,搖振反應中等,無光澤反應,低干強度,低韌性,場地東北角局部分布,厚度:2.80~2.90 m,平均2.85 m;層底標高:-12.16~-9.70 m,平均-10.93 m;層底埋深:12.60~15.00 m,平均13.80 m。

        (5)-1層粉質(zhì)黏土:灰黃色,可塑,稍有光澤,中等干強度,中等韌性。場區(qū)普遍分布,厚度:4.50~10.80 m,平均9.43 m;層底標高:-17.85~-16.48 m,平均-16.78 m;層底埋深:18.20~20.20 m,平均19.49 m。

        (6)-2層粉質(zhì)黏土夾黏土:黃褐色,可塑-硬塑,含鐵錳結(jié)核,稍有光滑面,切面規(guī)則,夾少量鈣質(zhì)結(jié)石。場區(qū)普遍分布,厚度:5.70~6.70 m,平均5.94 m;層底標高:-23.75~-22.30 m,平均-22.72 m;層底埋深:24.10~26.30 m,平均25.43 m。

        (7)層粉土夾粉砂:灰黃~灰色,含鈣質(zhì)結(jié)核,飽和,稍密~中密,搖振反應中等,無光澤反應,低干強度,低韌性,所夾粉砂灰色,組成礦物成份主要為石英、長石等,具云母碎屑,顆粒級配良好(SW),次園狀,粘粒含量低。場區(qū)普遍分布,該層未穿透。

        4.4 總平面布置

        在港池東西兩側(cè)駁岸各布置2個泊位,裝卸機械均采用固定吊起重機。港池東西駁岸長度均為160 m,港池寬度為60 m,占用自然岸線總長度為240 m,占用實際岸線長度為380 m,港池底高程取為-3.0 m。港池與新通揚運河間布置連接水域,以保證船舶安全便捷的進出港作業(yè),連接水域直線部分長13 m,弧線部分為1/4半徑60 m的圓弧,連接水域?qū)?0 m,底標高取為-3.0 m。連接水域護岸采用坡比為1∶2的斜坡式結(jié)構(gòu),連接水域外側(cè)新通揚運河上下游護岸各長30 m。

        4.5 碼頭結(jié)構(gòu)方案

        碼頭采用鋼筋混凝土扶壁式結(jié)構(gòu)。碼頭頂標高4.40 m,港池底標高-3.00 m,扶壁式底板寬9 m,厚0.7 m下設(shè)100 mm素混凝土墊層;前處趾設(shè)0.7 m厚的漿砌塊石護趾;立板厚0.5 m,肋板厚0.5 m,標準段肋板間距4.5 m。頂部胸墻墻高1.3 m,寬1.2 m;護輪坎高0.3 m。碼頭水工建筑物結(jié)構(gòu)標準分段長13 m,端部分段長15 m,拐角處3.18 m、過渡段10 m),沉降縫寬2 cm,采用聚乙烯板(PEB3)填充,墻后縫寬處自上而下貼全寬150 cm的400 g/m2無紡土工布。港池端部結(jié)構(gòu)采用同樣的鋼筋混凝土扶壁式結(jié)構(gòu)。頂標高為4.40 m,底標高-3.00m。

        5 實例碼頭工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算及優(yōu)化分析

        將實例碼頭工程的詳細參數(shù)代入式(11)與式(12),再分別代入式(10),可分別得到碼頭結(jié)構(gòu)抗滑安全和抗傾覆安全的可靠度指標。由于式(10)及相關(guān)計算步驟繁瑣,計算難度較大,因此本文通過Matalab進行編程計算。

        根據(jù)上式計算結(jié)果,實例碼頭安全系數(shù)遠遠滿足穩(wěn)定要求(詳細計算結(jié)果見表1),為節(jié)約投資,提高工程經(jīng)濟性,將碼頭整體斷面按1%比例的步長逐漸縮小,即以原碼頭工程斷面結(jié)構(gòu)為基本參照,依次按照99%、98%、97%...的比例計算,直到求得抗力與作用效應剛好滿足《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》(JTS 167-2-2018)的要求時的斷面結(jié)構(gòu),將這兩種情況下的抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性可靠度指標的計算結(jié)果列于下表。

        表1 實例工程優(yōu)化前后可靠度指標計算結(jié)果

        6 扶壁碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)與可靠度指標的相關(guān)關(guān)系研究

        筆者搜集了另外35個扶壁碼頭實例工程的相關(guān)數(shù)據(jù),以設(shè)計高水位為計算工況,根據(jù)前兩節(jié)相應的計算流程、公式,借助MATLAB編程進行計算,將計算結(jié)果匯總于圖1和圖2。

        圖1 扶壁碼頭抗滑安全系數(shù)Ks與可靠度指標β的相關(guān)關(guān)系

        (1)抗滑安全系數(shù)與可靠度指標的相關(guān)關(guān)系

        根據(jù)圖1可看出,扶壁碼頭的抗滑安全系數(shù)Ks與可靠度指標β呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,且二者的函數(shù)關(guān)系趨近于乘冪曲線。因此,可得到二者關(guān)系結(jié)構(gòu)式:

        Ks=αβb+c

        (13)

        式中,a、b、c均為待定系數(shù),在已有資料基礎(chǔ)上經(jīng)過多元回歸分析,得到扶壁碼頭的抗滑安全系數(shù)Ks與可靠度指標β的關(guān)系表達式:

        Ks=0.526 9β0.683 9+0.001 7

        (14)

        式(14)中扶壁碼頭的抗滑安全系數(shù)Ks與可靠度指標β相關(guān)系數(shù)較低,僅有0.428 1。

        (2)抗傾覆安全系數(shù)與可靠度指標的相關(guān)關(guān)系

        圖2 扶壁碼頭抗傾覆安全系數(shù)Ku與可靠度指標β的相關(guān)關(guān)系

        根據(jù)圖2可看出,扶壁碼頭的抗傾覆安全系數(shù)Ku與可靠度指標β呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,且二者的函數(shù)關(guān)系趨近于乘冪曲線。根據(jù)計算結(jié)果進行多元回歸分析,得到扶壁碼頭的抗傾覆安全系數(shù)Ku與可靠度指標β的關(guān)系表達式:

        Ks=0.816β0.837 7-0.012 5

        (15)

        進一步分析可知,式(15)中扶壁碼頭的抗傾覆安全系數(shù)Ku與可靠度指標β相關(guān)系數(shù)較低,僅有0.392 1。

        7 結(jié) 論

        (1)詳細介紹了可靠度指標的定義和計算式。并通過受力分析,得到了重力式扶壁碼頭抗滑穩(wěn)定性可靠度和抗傾覆穩(wěn)定性可靠度的表達式。

        (2)以泰州內(nèi)河港7B碼頭工程為實例詳細計算了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。計算結(jié)果顯示,實例工程的抗滑穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分別為1.918~1.949和3.103~3.210,均遠大于規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。

        (3)將碼頭整體斷面按1%比例的步長逐漸縮小,在滿足規(guī)范結(jié)構(gòu)安全的前提下,對實例工程碼頭結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,研究結(jié)果顯示,斷面可縮小至86%。

        (4)采用回歸分析,擬合了扶壁碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)與可靠度指標的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果顯示,扶壁碼頭的抗滑安全系數(shù)和抗傾覆安全系數(shù)均與可靠度指標呈乘冪指數(shù)關(guān)系,但相關(guān)性較差。

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