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        大型集裝箱碼頭方沉箱與大圓筒結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)對比

        2022-11-01 05:57:18李春陽郭夢圓徐文強(qiáng)
        水運(yùn)工程 2022年10期
        關(guān)鍵詞:胸墻沉箱基床

        李春陽,郭夢圓,徐文強(qiáng)

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

        沉箱和大圓筒結(jié)構(gòu)在大型重力式碼頭中應(yīng)用廣泛,針對這兩種結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究也很多。徐烈毅[1]針對沉箱和大圓筒碼頭的造價進(jìn)行了分析對比,在相同安全度條件下,大圓筒方案較為經(jīng)濟(jì);楊文[2]針對沉箱結(jié)構(gòu)和大圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗滑、抗傾穩(wěn)定性驗算和造價分析,結(jié)果表明大圓筒方案造價上更有優(yōu)勢,但大圓筒結(jié)構(gòu)的抗滑能力不如沉箱結(jié)構(gòu);郭夢圓等[3]針對帶有卸荷板的大圓筒碼頭在岸橋荷載、波浪力和土壓力作用下的受力特性進(jìn)行分析,結(jié)果表明岸橋荷載較大時,對大圓筒頂部彎矩影響顯著,但未與沉箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。以上論文分別從沉箱結(jié)構(gòu)和大圓筒結(jié)構(gòu)的造價、整體穩(wěn)定性、受力特性方面進(jìn)行對比分析,而針對沉箱結(jié)構(gòu)和大圓筒結(jié)構(gòu)前趾應(yīng)力及胸墻內(nèi)力特性的對比分析研究很少。本文對欽州港大欖坪港區(qū)20萬噸級自動化集裝箱碼頭對沉箱方案和大圓筒方案的前趾應(yīng)力和胸墻內(nèi)力特點(diǎn)及分布進(jìn)行對比分析,可為大型連片式重力式碼頭結(jié)構(gòu)選型提供參考。

        1 項目概況

        欽州港大欖坪港區(qū)大欖坪南作業(yè)區(qū)9#、10#泊位工程碼頭結(jié)構(gòu)按靠泊20萬噸級集裝箱船設(shè)計,泊位總長783 m。碼頭面高程6.6 m,結(jié)構(gòu)底高程-18.0 m,碼頭高差達(dá)24.6 m。裝卸設(shè)備采用自動化雙小車岸橋,其輪壓和非工作狀態(tài)下的岸橋海側(cè)軌荷載見表1。項目地點(diǎn)位于欽州灣,屬南亞熱帶海洋性氣候,季風(fēng)盛行,海域掩護(hù)條件較好,波能動力相對較弱,設(shè)計波浪條件見表2。

        表1 碼頭岸橋海側(cè)軌荷載

        表2 設(shè)計波浪條件

        項目地質(zhì)自上而下分別為:填土層、砂混淤泥、黏性土、中粗砂、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖,其中風(fēng)化巖又可分為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖3個亞層。碼頭區(qū)域巖層埋藏較淺,在港池底高程以下地質(zhì)多為風(fēng)化泥砂巖,是良好的持力層,適宜修建以天然基巖為基礎(chǔ)的重力式結(jié)構(gòu),采用方沉箱和薄壁大圓筒進(jìn)行方案比選。經(jīng)過抗傾、抗滑穩(wěn)定計算,大圓筒結(jié)構(gòu)和沉箱結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求,且安全度相當(dāng)。

        1.1 方沉箱結(jié)構(gòu)方案

        本工程碼頭面高程6.6 m,沉箱頂高程3.0 m,沉箱底高程-18.0 m,沉箱高21.0 m,底寬15.8 m(其中外趾長度1.0 m),長23.92 m,單個沉箱質(zhì)量約3 510 t,混凝土強(qiáng)度等級C40。沉箱前排倉格回填塊石至-2.5 m高程,中間艙格和后排艙格填滿塊石,沉箱前排艙格上為現(xiàn)澆混凝土胸墻,寬度4.2 m,高度3.6 m,中部設(shè)置綜合管溝,系船柱位置局部嵌入沉箱艙格,混凝土強(qiáng)度等級C40。沉箱后回填10~100 kg塊石棱體,沉箱基床為10~100 kg塊石,厚度1.0 m,基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥巖。橡膠護(hù)舷、系船柱和門機(jī)軌道設(shè)施等附屬設(shè)施設(shè)置在胸墻上。碼頭面上設(shè)置2條A150軌道,前軌座落在胸墻上,后軌位于軌道梁上,采用PHC雙樁基礎(chǔ)。沉箱結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

        圖1 方沉箱碼頭典型斷面(單位:m)

        1.2 大圓筒結(jié)構(gòu)方案

        該方案中大圓筒外徑19.5 m,壁厚0.4 m,大圓筒底高程-18.0 m,圓筒頂高程3.0 m,圓筒設(shè)內(nèi)、外趾,均懸挑1.0 m。大圓筒基床為10~100 kg塊石,厚1.0 m?;A(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥巖。大圓筒內(nèi)回填中粗砂及礫卵石反濾料,中粗砂振沖密實(shí)。圓筒兩側(cè)設(shè)置倒濾腔,腔內(nèi)填倒濾料。后方回填塊石棱體,棱體分2級回填,第1級塊石棱體回填至-5.5 m,設(shè)置倒濾層后回填中粗砂,再回填第2級棱體至0.5 m,表面依次設(shè)置二片石墊層、混合倒濾層及土工布2層,然后在其上方回填砂并振沖密實(shí)。圓筒上為鋼筋混凝土蓋板和胸墻,蓋板為梁肋式結(jié)構(gòu),肋梁橫向布置,正交連接胸墻縱向構(gòu)件,每塊蓋板設(shè)2道橫向肋梁,間距11.9 m,梁寬0.8 m,梁高3.3 m。胸墻底高程3.0 m,頂高程6.6 m,胸墻臨水懸寬0.8 m,底高程1.6 m,以供護(hù)舷安裝,胸墻內(nèi)設(shè)管溝。碼頭面上設(shè)置2條A150軌道,前軌座落在胸墻上,后軌位于軌道梁上,采用PHC雙樁基礎(chǔ)。大圓筒結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

        圖2 大圓筒碼頭典型斷面(單位:m)

        2 前趾應(yīng)力計算及對比分析

        大圓筒結(jié)構(gòu)由于受力較復(fù)雜,基床頂面應(yīng)力一般采取等效矩形法計算,但該方法無法反映前趾局部應(yīng)力,宜采用有限元軟件對其進(jìn)行模擬[4],因此本文采用巖土有限元軟件進(jìn)行模擬。根據(jù)工程最不利工況,考慮風(fēng)、浪、流、堆載及裝卸工藝荷載等組合作用,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析。為便于對比,方沉箱結(jié)構(gòu)也采用有限元模型進(jìn)行分析。利用PLAXIS 3D有限元軟件分別建立方沉箱碼頭和大圓筒實(shí)體模型,見圖3。土體采用硬化土本構(gòu)模型,混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型,混凝土結(jié)構(gòu)與土體之間設(shè)置界面單元,界面強(qiáng)度折減因子取0.67。按施工順序進(jìn)行分步加載,并考慮不同工況組合。

        圖3 整體有限元模型

        最不利工況下(門機(jī)非工作工況+波吸力)方沉箱結(jié)構(gòu)基床應(yīng)力分布結(jié)果見圖4,方沉箱基床應(yīng)力分布較為均勻,最大應(yīng)力為684 kN/m2,位于前趾外邊沿,基床頂面應(yīng)力從沉箱前趾至沉箱后沿逐漸降低,呈線性分布,該數(shù)值及分布規(guī)律與規(guī)范平面算法基本一致。

        圖4 方沉箱結(jié)構(gòu)基床應(yīng)力分布

        最不利工況下(門機(jī)非工作工況+波吸力)大圓筒結(jié)構(gòu)基床頂面應(yīng)力分布結(jié)果見圖5,基床頂面應(yīng)力呈環(huán)狀分布,以倒濾腔結(jié)構(gòu)為界,陸側(cè)半圓環(huán)應(yīng)力較小,海側(cè)半圓環(huán)應(yīng)力較大。大圓筒基床出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大應(yīng)力區(qū)域集中在海側(cè)30°圓弧區(qū)域,前趾最大應(yīng)力值達(dá)到1 077 kN/m2,遠(yuǎn)大于常規(guī)基床極限應(yīng)力不大于800 kN/m2的限值[5],且基床應(yīng)力分布不均勻。大圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)置了內(nèi)外趾,但其內(nèi)部回填土體不能與圓筒結(jié)構(gòu)形成整體受力,因此基床應(yīng)力較大值出現(xiàn)在了圓筒內(nèi)外趾寬度范圍內(nèi),圓筒內(nèi)部回填料下方的基床頂面應(yīng)力較小。

        圖5 大圓筒方案基床應(yīng)力分布

        3 胸墻內(nèi)力計算及對比分析

        對于大圓筒碼頭結(jié)構(gòu),為滿足穩(wěn)定性要求,將上部胸墻(兼做前軌道梁)、卸荷板及肋梁連接成一個整體,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,難以采用常規(guī)簡化方法進(jìn)行計算,宜采用數(shù)值方法建模分析。為便于分析對比,胸墻內(nèi)力統(tǒng)一采用空間有限元軟件分別對方沉箱碼頭和大圓筒碼頭上部結(jié)構(gòu)建立空間模型進(jìn)行計算,考慮自重、系纜力、岸橋荷載作用,并進(jìn)行荷載組合。方沉箱碼頭胸墻和大圓筒碼頭上部結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖6。碼頭胸墻內(nèi)力計算結(jié)果對比見表3。

        圖6 上部結(jié)構(gòu)有限元模型

        表3 碼頭胸墻內(nèi)力計算結(jié)果對比

        由表3可知,方沉箱碼頭和大圓筒碼頭胸墻的最大剪力差別較小,分別為6.371 MN和6.818 MN。方沉箱碼頭和大圓筒碼頭胸墻跨中彎矩最大值分別為2.942、10.327 MN·m,支座彎矩最大值分別為5.159、13.600 MN·m;大圓筒碼頭胸墻的跨中彎矩和支座彎矩分別為方沉箱碼頭的3.5、2.6倍。由圖7、8可知,大圓筒碼頭胸墻的最大跨中彎矩位于每段軌道梁正中間,向端部迅速減小;而方沉箱碼頭胸墻最大跨中彎矩位于艙格正中間,且整體分布較均勻。這是由于方沉箱結(jié)構(gòu)中,沉箱艙格起到支撐作用,胸墻跨度僅為4.3 m,而大圓筒結(jié)構(gòu)中,胸墻最大跨度為12.5 m,兩端懸臂結(jié)構(gòu)最大懸臂約5.0 m,導(dǎo)致其跨中和支座彎矩顯著增大。

        圖7 方沉箱結(jié)構(gòu)胸墻彎矩

        圖8 大圓筒結(jié)構(gòu)胸墻彎矩

        綜上,對于大噸級的連片式碼頭,大圓筒結(jié)構(gòu)胸墻跨度大、懸臂長,當(dāng)上部荷載較大時,胸墻彎矩顯著增大。而方沉箱結(jié)構(gòu)胸墻跨度小、無懸臂,其彎矩整體分布更均勻。

        4 結(jié)語

        1)在碼頭噸級較大時,大圓筒結(jié)構(gòu)前趾應(yīng)力大,且存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,基床頂面應(yīng)力較大值主要集中在碼頭前沿30°圓弧左右對應(yīng)的圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)外趾下方區(qū)域,其局部最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于沉箱方案的最大前趾應(yīng)力。

        2)大圓筒結(jié)構(gòu)上部胸墻跨度大、兩端懸臂長,當(dāng)使用荷載較大時,跨中彎矩和支座彎矩顯著增大,大圓筒碼頭胸墻的跨中彎矩和支座彎矩分別為方沉箱碼頭的3.5、2.6倍。而方沉箱結(jié)構(gòu)胸墻跨度小、且無懸臂,跨中彎矩和支座彎矩小,且總體分布較均勻。

        3)對于大型重力式集裝箱碼頭而言,方沉箱結(jié)構(gòu)相比大圓筒結(jié)構(gòu)受力具有明顯優(yōu)勢。碼頭結(jié)構(gòu)選型應(yīng)考慮工程造價、施工工藝、工期及結(jié)構(gòu)受力等因素綜合比選確定。

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