輕型碼頭結(jié)構(gòu)計算方法研究

■馬長禮 ■海軍工程設(shè)計研究院，北京市 100070

1 碼頭的主要結(jié)構(gòu)型式及其特點

碼頭常見的結(jié)構(gòu)型式有以下幾種:

(1)樁基式碼頭。這是國內(nèi)碼頭較為常用的一種結(jié)構(gòu)型式，其具體特點如下:位于海中的樁基具有結(jié)構(gòu)體積小的特點，這使其所出承受的波浪和水流作用力相對較小;樁基結(jié)構(gòu)本身的承載能力較好，結(jié)構(gòu)受力非常合理，即便碼頭水深增加，其總體造價也不會出現(xiàn)過大的波動變化，經(jīng)濟性較佳，適用于水域較深的工程;由于直立式樁基礎(chǔ)的抗側(cè)移剛度相對較小，水平位移較大，所以在敞開式碼頭中的應用相對較少，而斜樁雖然抗側(cè)移剛度大，水平位移小，但在海域上的施工難度較高。

(2)重力式碼頭。此類結(jié)構(gòu)型式的碼頭技術(shù)相對比較成熟，在國內(nèi)碼頭中的應用也比較廣泛，它的具體特點如下:傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型，設(shè)計與施工技術(shù)都比較完善，并且各方面經(jīng)驗也十分豐富;對外力具有非常良好的適應性;設(shè)備基礎(chǔ)對外界荷載變化的敏感性較低;維護工作量小、成本低;斷面越大造價越高，其造價與水深的立方成正比例關(guān)系;在水深且流速較大的海域上施工比較困難，海上作業(yè)兩大、施工時間廠，危險系數(shù)較高。

(3)導管架碼頭。所謂的導管架結(jié)構(gòu)就是由鋼管焊接成塔架，它的主體結(jié)構(gòu)為直立套管，這些套管全部是在工廠內(nèi)預先制作完成在運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的，借助套管打入鋼管樁，并將之固定在海底，然后在套管與樁之間用混凝土進行灌注，使其連接成為有機的整體。這種結(jié)構(gòu)型式最為顯著的特點是整體性好、抗風浪能力強、便于施工、承載力大。

2 輕型碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.1 輕型碼頭結(jié)構(gòu)

所謂的輕型碼頭實質(zhì)上就是一個鋼管焊接而成的空間剛架，它以四周直立的粗鋼管作為樁，相鄰樁之間的多層鋼管作為支撐體系，這種碼頭結(jié)構(gòu)的主要組成部分如下:上部平臺、透空式樁與支撐體系、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。其中上部平臺是整個碼頭的操作平臺;透空式樁與支撐體系則是由鋼管焊接組合而成，它的具體作用是承受來自于波浪和水流以及船舶的荷載，并支撐碼頭的上部平臺;基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是將樁支撐體系與海底基巖相連接，常用的形式有混凝土芯柱嵌巖結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)受力特點

由于輕型碼頭結(jié)構(gòu)位于海中部分的體積較小，所以受水流、波浪的影響也較小，主要依靠結(jié)構(gòu)受力，并且受力合理。這與重力式碼頭結(jié)構(gòu)依靠自身重量維持穩(wěn)定性的受力特點有著明顯差別，能夠有效減少碼頭水深對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的負面影響。在設(shè)計輕型碼頭時，可根據(jù)港口條件，在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用巖基淺埋技術(shù)，增強結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的抗壓能力。因樁基埋入的深度較淺，為此必須保證樁基與巖基連接良好。水平荷載是輕型碼頭結(jié)構(gòu)承受的主要作用力，所以在計算輕型碼頭結(jié)構(gòu)平面尺寸時，要充分考慮樁端強度和抗拔力因素。同時，輕型碼頭在船舶撞擊力作用下，會造成較大疲勞損傷，在結(jié)構(gòu)計算時必須對此予以重視。

2.3 優(yōu)化限定條件

輕型碼頭結(jié)構(gòu)受撞擊力的影響較大，樁端會產(chǎn)生較大拉力，在優(yōu)化輕型碼頭結(jié)構(gòu)的過程中，必須要確保該拉力小于樁的抗拔力;為防止輕型碼頭結(jié)構(gòu)過早疲勞，必須保證桿件滿足強度要求，使管節(jié)點的熱點應力幅值小于材料的屈服強度，適當降低桿件的靜力強度許用值;輕型碼頭結(jié)構(gòu)的桿件和節(jié)點尺寸要滿足構(gòu)造要求，在計算輕型碼頭結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性和管節(jié)點靜力強度時充分考慮桿件和節(jié)點尺寸因素。

3 輕型碼頭靜動力計算方法

3.1 靜力計算方法

(1)結(jié)構(gòu)整體計算。利用ANSYS對輕型碼頭靠船墩結(jié)構(gòu)進行有限元分析，具體分為建立結(jié)構(gòu)整體模型、施加荷載求解、獲取分析結(jié)果三個步驟。對輕型碼頭結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移進行計算，主要包括波浪力、撞擊力、永久荷載、系纜力、水流力等荷載。建立輕型碼頭結(jié)構(gòu)有限元模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)分段來劃分樁和支撐的單元大小，并采用梁單元，上部承臺采用殼單元。在優(yōu)化輕型碼頭結(jié)構(gòu)過程中，存在著樁內(nèi)灌注混凝土砂漿和散體的情況，在計算第一種情況時，要綜合考慮樁內(nèi)混凝土的質(zhì)量和剛度，按照鋼管混凝土的具體情況建模計算;在計算第二種情況時，要充分考慮散體的質(zhì)量，不用考慮其剛度因素。

(2)靜力強度計算。①鋼管強度。按照我國現(xiàn)行規(guī)范標準的規(guī)定要求對樁的承載能力進行校核，通常圓形截面的正應力可用下式進行校核:

上式當中，N代表鋼管所承受的截面軸力(單位:kN);M代表鋼管所承受的截面彎矩(單位:kN/m);As代表鋼管面積(單位:㎡);Ws代表鋼管的截面模量(單位:m3)。

②鋼管混凝土受壓構(gòu)件。可按照我國現(xiàn)行的規(guī)范標準要求，對鋼管混凝土樁在壓彎狀態(tài)下的承載能力進行校核。由于在壓彎條件下，鋼管與核心混凝土處于共同工作狀態(tài)，故此，鋼管上所承受的等效應力應當滿足下式的要求:

在上式當中，Asc=(EsAs+EcAc)/Es，其中Es為鋼管的彈性模量(單位:Pa);Wsc=(EsWs+EcWc)/Es，其中Ec為混凝土的彈性模量(單位:Pa)。

(3)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算。由于軸心受壓構(gòu)件都或多或少地存在各種初始缺陷，其實際失穩(wěn)歸屬于極值失穩(wěn)的范疇，并且多數(shù)都是發(fā)生在彈塑性狀態(tài)下。故此，可以壓彎構(gòu)件的極限荷載理論對其極限承載力進行確定。而對于軸壓構(gòu)件來講，當其原材料屬性、截面形狀與尺寸、構(gòu)件長度、端部約束等條件全部給定時，可通過數(shù)值法來獲取構(gòu)件的極限荷載值。我國現(xiàn)行的規(guī)范標準中對軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)進行了明確規(guī)定，可按極限荷載理論，并使用逆算單元法進行計算。在輕型碼頭結(jié)構(gòu)中，因構(gòu)件長度方向的不同，使得大部分壓彎構(gòu)件承受的彎矩呈現(xiàn)出不均勻分布狀態(tài)。對于壓彎桿而言，其彎矩對壓桿剛度最具影響力的因素是彎矩的最大截面。壓彎桿在彎矩最大截面形成塑性鉸之前極容易失去穩(wěn)定性。所以，對壓彎桿的計算是將不均勻分布的等效彎矩等效成均勻分布的彎矩，而后根據(jù)均勻分布的壓彎構(gòu)件對其平面的穩(wěn)定性進行計算。在這一計算過程中遵循的等效原則為最大彎矩在等效前后相等。輕型碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定驗算公式如下:

3.2 動力計算方法

(1)自振特性計算。輕型碼頭結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度對其固有振動特性能夠產(chǎn)生重大影響。采用ANSYS分析軟件對輕型碼頭結(jié)構(gòu)進行模擬分析，確定其自振特性。在計算過程中，使用Block Lanczos法，并采用完整的質(zhì)量和剛度矩陣。樁基結(jié)構(gòu)共分為以下三種:樁基為純鋼管結(jié)構(gòu)，其自振周期為0.51s;樁基內(nèi)灌注散體，其自振周期為0.63;樁基為鋼管混凝土樁，其自振周期為0.55s。通過計算得出以下結(jié)論，即輕型碼頭結(jié)構(gòu)的自振周期一般均不超過0.7s，并且結(jié)構(gòu)剛度越大，自振周期越小，與波浪周期9.4s存在較大差異。

(2)波浪荷載作用下的動力計算。采用瞬態(tài)動力學在時域內(nèi)分析波浪荷載作用下的輕型碼頭結(jié)構(gòu)動力，利用求解精度高的完全法進行相關(guān)計算。瞬態(tài)動力學分析求解公式為:

阻尼矩陣用以反映在多種耗能因素影響下的綜合作用系數(shù)，采用阻尼常數(shù)α、β對阻尼矩陣進行結(jié)構(gòu)定義。由此可得阻尼矩陣［C］的公式為:

在公式中，ω表示結(jié)構(gòu)圓頻率，ξ表示阻尼比，選取3%。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對輕型碼頭結(jié)構(gòu)動力進行分析時，對波浪荷載采用標準值。通過計算可知，輕型碼頭結(jié)構(gòu)動力對波浪荷載的響應不顯著，所以可將波浪荷載視為靜力荷載進行結(jié)構(gòu)計算。

(3)撞擊作用下的動力計算。在船舶撞擊作用下，輕型碼頭結(jié)構(gòu)動力響應與撞擊時間長短有著密切關(guān)系。在撞擊時間較短的情況下，結(jié)構(gòu)動力響應十分明顯，其動力放大系數(shù)高達1.3-1.5，這時應將撞擊力視為動力荷載進行計算;在撞擊時間較長的情況下，結(jié)構(gòu)動力響應并不明顯，可將撞擊力視為靜力荷載進行計算。

4 結(jié)論

綜上所述，本文從靜力和動力兩個方面對輕型碼頭結(jié)構(gòu)的計算方法進行了分析。輕型碼頭作為一種新型的碼頭結(jié)構(gòu)型式，其適用于深水水域，這種結(jié)構(gòu)不斷能夠滿足強度和穩(wěn)定性等方面的研究，而且經(jīng)過計算在船舶撞擊作用下，其不會出現(xiàn)失穩(wěn)等情況。由此可見，該結(jié)構(gòu)具有推廣使用價值。

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