郭夢(mèng)圓，覃 杰，陳良志

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

大圓筒結(jié)構(gòu)作為應(yīng)用廣泛的重力式碼頭結(jié)構(gòu)之一，具有節(jié)省混凝土、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前關(guān)于大圓筒結(jié)構(gòu)的研究多圍繞大圓筒結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、位移分析等開展，大部分沒有考慮上部卸荷板及其荷載[2-5]。然而，隨著船型和港口吞吐能力的增大，大量港口大力發(fā)展集裝箱運(yùn)輸業(yè)務(wù)，將老碼頭進(jìn)行升級(jí)改造的情況愈加普遍，也導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)所受的岸橋荷載顯著增大[6]。本文運(yùn)用有限元軟件，建立帶卸荷板的大圓筒整體模型，研究岸橋荷載、波浪力、堆載土壓力分別作用下大圓筒的內(nèi)力特性[7]。

1 工程概況

某碼頭升級(jí)改造工程，原結(jié)構(gòu)為重力式結(jié)構(gòu)，采用無底薄壁大圓筒連片式布置，圓筒外徑為18.0 m、壁厚0.34 m，采用C40混凝土。圓筒外趾懸挑80 cm，底高程為-15.1 m，頂高程為3.0 m。圓筒頂上為現(xiàn)澆鋼筋混凝土卸荷板，采用梁肋式結(jié)構(gòu)，由1根前軌道梁、1根肋梁、2根橫梁及底板組成。大圓筒碼頭結(jié)構(gòu)斷面及卸荷板見圖1。

圖1 大圓筒碼頭結(jié)構(gòu)斷面及卸荷板平面(高程：m；尺寸：mm)

2 計(jì)算條件

2.1 計(jì)算水位及波浪荷載

計(jì)算工況采用設(shè)計(jì)高水位+50 a一遇波浪作用條件，最不利波向?yàn)镾SW向，設(shè)計(jì)高水位為4.68 m，設(shè)計(jì)低水位為0.40 m，平均潮差3.38 m。設(shè)計(jì)波浪條件為：波向SSW向，重現(xiàn)期50 a，設(shè)計(jì)高水位，波高H1%為3.78 m，平均周期Tm為7.5 s，波長L為78.7 m。

2.2 碼頭面均載及工藝荷載

碼頭面均載取40 kPa。裝卸機(jī)械采用自動(dòng)化雙小車岸橋，支腿4個(gè)，10個(gè)輪/支腿，平均輪距1.23 m，軌距35 m、基距14 m[9]。岸橋預(yù)埋件受力見表1。

表1 岸橋預(yù)埋件荷載

考慮非工作狀態(tài)下岸橋荷載更大，因此計(jì)算工況選擇岸橋非工作狀態(tài)。在海側(cè)或陸側(cè)風(fēng)荷載作用下，作用在碼頭結(jié)構(gòu)上的岸橋荷載之間存在組合，在計(jì)算中進(jìn)行考慮。分項(xiàng)系數(shù)取1.5。

2.3 貯倉壓力及土壓力

貯倉壓力按照文獻(xiàn)[7]計(jì)算，分項(xiàng)系數(shù)取1.35。土壓力分為碼頭面均載引起的可變土壓力(簡稱“堆載土壓力”)和回填料引起的永久土壓力(簡稱“填料土壓力”)。卸荷板以下的土壓力計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)[7]進(jìn)行部分折減：對(duì)卸荷板，M點(diǎn)以上的土壓力可不計(jì)卸荷板底面以上重力的影響，N點(diǎn)以下的土壓力按無卸荷板的情況計(jì)算，M、N之間按直線過渡。分項(xiàng)系數(shù)取1.35。

2.4 荷載組合及施加方式

本文對(duì)比研究岸橋荷載、波浪力、堆載土壓力作用下的結(jié)構(gòu)受力特性，其余荷載在計(jì)算時(shí)均施加在結(jié)構(gòu)上?？紤]到大圓筒之間有倒濾結(jié)構(gòu)，波浪力、土壓力的添加范圍分別為大圓筒波浪側(cè)、土側(cè)154°圓心角；貯倉壓力施加在大圓筒內(nèi)壁，范圍為整個(gè)圓周。它們的作用范圍見圖2。

圖2 波浪力、貯倉壓力、土壓力作用范圍

前墻波浪壓強(qiáng)分布①、填料土壓強(qiáng)分布②見圖3。

圖3 碼頭墻面波浪壓強(qiáng)和填料土壓強(qiáng)分布

3 有限元模型

因上部卸荷板受到自身重力及作用在卸荷板上的荷載(岸橋荷載、系纜力等)，很難對(duì)其簡化作用在圓筒上，故將卸荷板與大圓筒整體建模。運(yùn)用有限元軟件建立帶卸荷板的大圓筒結(jié)構(gòu)三維模型。本構(gòu)模型采用線彈性模型，計(jì)算中模型結(jié)構(gòu)參數(shù)取彈性模量E=32.5 GPa，泊松比μ=0.2。卸荷板采用實(shí)體單元建立，下部大圓筒結(jié)構(gòu)采用板單元建立，大圓筒底趾采用梁單元建立。模型邊界條件為大圓筒底邊固定，卸荷板與大圓筒之間運(yùn)用多點(diǎn)約束方法進(jìn)行實(shí)體-殼裝配，以模擬卸荷板與大圓筒之間的剛性約束。

網(wǎng)格劃分后的大圓筒結(jié)構(gòu)模型見圖4，其中x軸正向?yàn)橥羵?cè)、負(fù)向?yàn)椴ɡ藗?cè)。由于大圓筒頂端向下2.1 m內(nèi)寬度加厚為0.54 m，故將圓筒分為兩部分：上部壁厚為0.54 m的圓筒頂端和下部壁厚為0.34 m的大圓筒進(jìn)行結(jié)果分析。

圖4 大圓筒結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4 結(jié)果分析

不同荷載作用下大圓筒整體結(jié)構(gòu)von Mises等效應(yīng)力分布云圖見圖5。

圖5 不同荷載作用下大圓筒等效應(yīng)力分布云圖

由圖5可知，岸橋荷載作用下，最大等效應(yīng)力位于頂升荷載作用位置，為40 MPa，其余部位應(yīng)力不超過9 MPa，而在自身重力、波浪荷載、堆載土壓力作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒兩端的筒壁內(nèi)側(cè)，約為7 MPa?？梢姲稑蚝奢d對(duì)大圓筒整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布影響很小。

4.1 岸橋荷載

在岸橋荷載作用組合中，頂升荷載影響最大。圓筒內(nèi)力結(jié)果見表2，豎向彎矩分布云圖見圖6。

表2 岸橋荷載作用下大圓筒內(nèi)力結(jié)果

圖6 豎向彎矩分布云圖

結(jié)果顯示：頂升荷載作用下，豎向壓力沿圓筒縱向逐漸增大。實(shí)際工程中，受重力影響，豎向壓力沿圓筒縱向逐漸增大，說明模擬結(jié)果合理。波浪側(cè)圓筒頂部出現(xiàn)最大環(huán)向正彎矩202.4 kN·m，波浪側(cè)圓筒外側(cè)受拉。圓筒頂部最大豎向正彎矩49.1 kN·m。圓筒下部豎向彎矩和環(huán)向彎矩最大值均出現(xiàn)在筒兩端靠近波浪側(cè)，但數(shù)值較頂部小。可見岸橋荷載對(duì)圓筒頂部環(huán)向彎矩和豎向彎矩影響顯著。實(shí)際情況中，卸荷板搭接在圓筒上，而非模型中約束豎向位移，因此圓筒頂部受力結(jié)果應(yīng)乘以一定的折減系數(shù)。

4.2 波浪力

波浪力作用下的內(nèi)力結(jié)果見表3，圓筒環(huán)向彎矩分布云圖見圖7。

表3 波浪力作用下大圓筒內(nèi)力結(jié)果

圖7 波浪作用下環(huán)向彎矩分布云圖

結(jié)果顯示：波浪作用下，圓筒頂部最大豎向彎矩出現(xiàn)在筒兩端，為51.8 kN·m，環(huán)向彎矩最大值出現(xiàn)在圓筒土側(cè)，為14.8 kN·m。圓筒下部最大豎向彎矩出現(xiàn)在筒兩端底部，為21.8 kN·m，最大環(huán)向彎矩出現(xiàn)在筒兩端靠近波浪側(cè)，為26.4 kN·m。最小豎向、環(huán)向彎矩均出現(xiàn)在筒兩端靠近土側(cè)，分別為-14.6、-35.7 kN·m。圓筒下部整體為波浪側(cè)受拉、土側(cè)受壓。圓筒頂部環(huán)向彎矩遠(yuǎn)小于岸橋荷載作用的結(jié)果，下部圓筒內(nèi)力分布與岸橋荷載作用基本一致。

4.3 堆載土壓力

堆載土壓力作用下的圓筒內(nèi)力結(jié)果見表4，環(huán)向彎矩分布云圖見圖8。

表4 堆載土壓力作用下大圓筒內(nèi)力結(jié)果

圖8 堆載土壓力作用下環(huán)向彎矩分布云圖

結(jié)果顯示：土壓力作用下，圓筒頂部最大豎向彎矩出現(xiàn)在波浪側(cè)，為36.3 kN·m，環(huán)向彎矩最大值出現(xiàn)在筒兩端，為20.8 kN·m。下部圓筒最大豎向彎矩出現(xiàn)在筒兩端底部，為21 kN·m，最大環(huán)向彎矩出現(xiàn)在筒兩端靠近波浪側(cè)，為35.6 kN·m。最小豎向、環(huán)向彎矩均出現(xiàn)在筒兩端靠近土側(cè)，分別為-15.9、-34.9 kN·m，筒壁內(nèi)側(cè)受拉。波浪側(cè)筒壁受壓，壓力沿圓筒縱向增大，至筒底達(dá)到最大值；土側(cè)則從筒頂至筒底逐漸由壓力轉(zhuǎn)為拉力，至筒底達(dá)到最大拉力，說明圓筒有向前傾覆趨勢(shì)。波浪側(cè)環(huán)向拉力沿筒壁縱向增大，土側(cè)則從筒底逐漸由拉力轉(zhuǎn)為壓力，最大環(huán)向拉力為567 kN。

綜上，在3種荷載分別作用下，圓筒下部均為波浪側(cè)圓筒壁環(huán)向受拉、土側(cè)圓筒壁環(huán)向受壓；波浪側(cè)圓筒壁豎向受壓、土側(cè)圓筒壁豎向受拉。

5 結(jié)論

1)本文通過有限元軟件建立了帶有卸荷板的大圓筒結(jié)構(gòu)三維有限元模型，研究岸橋荷載、波浪力、堆載土壓力分別作用下的結(jié)構(gòu)受力特性。結(jié)果表明，在岸橋荷載作用中，頂升荷載為最大荷載。

2)頂升荷載作用下，圓筒頂部豎向、環(huán)向彎矩顯著，分別為202、49 kN·m。而對(duì)圓筒下部結(jié)構(gòu)影響與波浪荷載、土壓力大致相同。因此在頂部圓筒處需要增大壁厚并加強(qiáng)配筋，以抵御結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

3)受上部結(jié)構(gòu)及荷載影響，圓筒頂部出現(xiàn)豎向彎矩較大值，而圓筒下部受到的環(huán)向彎矩影響更大。圓筒下部整體呈現(xiàn)波浪側(cè)受拉、土側(cè)受壓的趨勢(shì)。

4)針對(duì)老舊碼頭改造工程，運(yùn)用有限元軟件建立帶卸荷板的大圓筒結(jié)構(gòu)整體模型，可綜合考慮上部結(jié)構(gòu)及其荷載，從而得到較為全面的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，為工程設(shè)計(jì)提供參考。