廣義結構剛度在高樁碼頭構件重要性評價中的應用

駱 城 趙沖久（哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150000 ）

廣義結構剛度在高樁碼頭構件重要性評價中的應用

駱 城 趙沖久
（哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150000 ）

本文回顧了理論和工程中較為常見的構件重要性評價方法，其中廣義結構剛度法物理含義明確，計算較為簡便，尤其適合于高樁碼頭結構，值得在工程設計及結構評估中推廣應用。采用此方法對高樁碼頭結構在水平荷載作用下的構件重要性進行了分析，得出了一些有意義的結論。

廣義結構剛度；高樁碼頭；結構評估

一、引言

JTJ 302-2006 《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》中規定，基本單元（個別構件）的最低等級決定子單元（某類構件）等級，進而得到評估單元（碼頭）等級，這就導致如果存在少數破損嚴重的構件，即使其他部位完好，該碼頭評級也會很低。這種針對結構構件的評估方法是沿用了擬建結構的設計方法，即要求每個構件在一般正常荷載作用下其極限作用效應都應滿足要求。但是該方法對于既有結構的評估不太適用，既有結構評估應更加關注不同類型、不同部位的構件失效或破壞對整體結構的影響，這就需要根據某種甚至某個構件的破損程度綜合評估整個結構的狀態，從而對結構進行評級，而非采用水桶短板原則，最差構件的等級即為整個結構等級。如何判斷某個構件在結構中的重要程度呢？這就需要引入一個構件重要性評價指標。

二、現有的結構構件重要性評價方法

朱崇誠等提出的基于系統可靠性理論的在役碼頭可靠性評價方法，其缺點是構件在結構中相互耦合，使得構建結構失效樹特別困難。同時還需要對荷載、承載力等因素的分布進行假設，因此難以應用于一般的工程結構。

張雷明提出基于能量流的構件重要性評價指標，通過比較拆除構件后對結構總應變能的影響來確定該構件的重要性。其缺點是：指標數值區間為1～+∞，數值與重要性程度非線性關系。

孟靜提出采用專家評定法來判斷構件的重要程度，即要每個專家對多種構件兩兩比較，最后得到一個總的重要性矩陣。該方法有3個缺點：（1）主觀不確定性較大。受到認識手段、信息資源等限制，不能保證對事物認識的準確性和確定性。（2）沒有考慮結構的拓撲關系和剛度分布，即使是相同類型的構件，在空間分布的位置不同，對結構抵抗外力所起的作用也不相同。（3）沒有考慮荷載作用屬性（分布、量值和傳力路徑）的影響。顯然在碼頭面堆載和船舶撞擊過程中，不同構件所起的作用肯定會不同。

因此需要引入一種能同時考慮結構本身屬性和荷載屬性的定量的結構評估方法。葉令平提出基于廣義結構剛度的構件重要性評價指標。在保守線彈性結構中，F=Fmaxv，其中F為作用在結構上的荷載向量，Fmax為向量中最大值，v為荷載分布向量。荷載F作用于結構所產生的變形能U=FTD/2=FTK-1F/2=F2maxvTK-1v，其中D為位移向量；K為結構剛度矩陣。定義廣義力為Fstru，與廣義力相對應的結構廣義位移為Dstru，則變形能可表示為U=FstruDstru/2=F2stru/2Kstru，其中Kstru=Fstru/ Dstru為廣義結構剛度。對比上述變形能的兩個表達式可得廣義結構剛度Kstru=1/vTK-1v，則變形能可寫成U=F2max/2Kstru，整理得Kstru=F2

max/2U，上式表明特定荷載下的廣義結構剛度Kstru可以通過計算該荷載在結構中產生的變形能來獲得。定義構件的重要性評價指標I=（Kstru,0- Kstru,f）/Kstru,0= 1-Kstru,f/ Kstru,0=1-U/Uˊ，其中Kstru,0為完整結構的廣義結構剛度，Kstru,f為拆除構件結構的廣義結構剛度，Uˊ為拆除構件結構的變形能。由于Kstru,f≤Kstru,0，因此I的數值在0～1之間。0表示該構件對結構的廣義結構剛度沒有貢獻，1表示該構件及其重要，一旦被去除，結構將產生無限大的變形。由此可以看出構件的重要性評價指標有著明確的物理意義。廣義結構剛度不同于剛度，剛度是結構的固有屬性，而廣義結構剛度，即與結構剛度有關，又與結構上的荷載分布有關。

廣義結構剛度法克服了上述專家評定法的三個缺點，同時考慮了結構屬性和荷載屬性，提供的數值也有明確的工程意義，因此值得在實際工程中推廣應用。

三、數值模型及結果解析

本文采用廣義結構剛度法對高樁碼頭前承臺進行計算，得到各構件的重要性評價指標I，采用的高樁碼頭有4榀橫向排架，每個排架從前向后依次布設了兩根獨立直樁和一組叉樁，在樁帽上方搭設橫梁及縱梁，再在梁構件上安裝面板。

本文采用ABAQUS對結構進行數值分析，面板、梁及基樁的材料及截面屬性均依照天津港某集裝箱碼頭構件的實際情況得出。梁構件與基樁之間的連接采用共節點方式，梁與面板采用綁定方式連接。荷載施加在第2榀前沿位置，方向指向碼頭岸線方向，數值為100000N。基樁下端約束了三個方向的平移自由度。首先計算完整結構的變形能U，然后依次“拆除”各構件，再次計算得到結構的變形能Uiˊ，根據上述公式得到各個構件的重要性評價指標，見圖2。

圖2中圓點為荷載作用位置。位于面板中央的數值為面板的重要性評價指標值，即I值；面板四周的數值為梁構件的I值，左右兩側為橫梁，上下為縱梁I值；面板角點處為基樁的I值，其中前兩排為直樁，第三排下方為兩根叉樁。

從計算結果可以看出：

1 所有構件的重要性評價指標均較小，說明每個構件都不那么重要，單個構件失效不會對結構產生太大影響，結構魯棒性很好。

2 上部結構，包括面板、橫梁和縱梁的值相比于基樁的要小得多，其最小值為0.0012，最大值為0.0111，平均值僅為0.0033。說明上部結構的單個構件對結構抵抗水平變形的貢獻較小。碼頭實際運營中，即使單個構件出現嚴重的破損，只需在碼頭面上對出現破損的位置進行圈圍，限制流動荷載及堆載，并及時進行維修即可，不會影響碼頭結構正常的系泊及裝卸作業。

3 基樁的重要性評價指標最小值為0.0547，最大值為0.0765，平均值為0.0668。基樁對結構抵抗水平變形的貢獻明顯要強于上部結構構件。值得注意的一個現象是，后排單根叉樁的重要性評價指標要小于前排單根直樁，這與高樁碼頭結構叉樁主要承受水平荷載的常規認識不一致。出現此種情況的原因可能是跟特定荷載形式有關，如果水平荷載與碼頭前沿呈一定角度，叉樁的抵抗水平力的作用會得到更充分的發揮。

結語

結構中構件的重要性評價是構件安全性評價向結構安全性評級的橋梁，

對于合理評估結構現狀有著重要的意義。本文采用廣義結構剛度的概念，結合高樁碼頭的算例分析，得出了一些有意義的結論。結果還表明，構件重要性評價指標具有明確的物理意義，且計算較為簡單，適宜在水運工程結構設計和評估中廣泛推廣。

[1]朱崇誠，張強，李穎，等.在役碼頭可靠性的概率極限狀態評估法[J].水道港口，2004，25（02）：105-109.

[2]張雷明，劉西拉.框架結構能量流網絡及其初步應用[J].土木工程學報，2007，40（03）：45-49.

[3]孟靜，劉現鵬，王崇宇，等.高樁碼頭完好狀態的模糊綜合評估[J].水道港口，2009，30（05）：369-375.

[4]葉列平，林旭川，曲哲，等.基于廣義結構剛度的構件重要性評價方法[J].建筑科學與工程學報，2010，27（01）：1-6，20.

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