船舶靠泊內河大水位差高樁框架碼頭受力分析

龍友立

摘 要：本文針對西江某內河大水位差高樁框架碼頭，采用有限元計算軟件MIDAS-CIVIL建立空間有限元模型，對不同水位下船舶靠泊不同位置時的某高樁框架碼頭結構受力進行分析，得到了高樁碼頭結構不同構件的位移、彎矩等結果及其分布規律。此分析方法及結果可為同類型碼頭的結構設計及運營使用提供一定參考。

關鍵詞：大水位差 高樁框架碼頭 船舶靠泊 撞擊力

西江是珠江水系航運主干流，為了適應西江流域經濟的發展，保證碼頭在不同時節不同水位（水位差大于17m）下船舶均能靠泊使用，而防止船舶頻繁靠泊對高樁碼頭結構造成破壞，其最基本的手段就是要求船舶按規范靠泊的同時使結構具有一定的防撞能力。這就要求在設計階段對各種作用下的結構響應進行分析，根據分析結果進行設計和采取合理的防范措施，并對碼頭的使用運營提出相應要求。本文以某高樁框架碼頭結構為例，通過有限元計算軟件MIDASCIVIL建立空間模型進行計算，對不同水位不同撞擊力作用下的碼頭結構響應進行分析，此分析方法和結果可為同類型碼頭結構的設計及運營使用提供一定參考。

1.分析計算方法

隨著高樁碼頭結構設計理論和方法的發展，目前國內外用于高樁碼頭結構分析的方法主要分為平面計算方法、空間計算方法和物理模型試驗方法。

當碼頭縱橫向剛度比較接近時，且結構受力較為復雜，結構空間特性較為顯著時，碼頭結構內力宜按空間計算更為合理。

高樁框架碼頭結構受力具有空間特性。按空間結構計算框架碼頭結構，其計算過程可采用矩陣位移法、有限單元法或有限差分法。有限單元法是以彈性力學為基礎，用矩陣進行推演，用計算機程序作數值解算，是求解各領域數理方程的一種通用的近似方法。現有的有限元結構分析程序，如SAP2000、Midas Civil、Ansys、ABAQUS等軟件是國內外都公認的通用結構有限元計算軟件，本文通過有限元計算軟件MIDAS-CIVIL建立空間模型進行計算分析。

2.工程概況

本文選取西江某電廠高樁框架碼頭的其中一個標準結構段（長55.8m，寬22m）進行建模分析。

碼頭基礎采用D1300mm鉆孔灌注樁（嵌巖樁），持力層為中風化巖層，底高程為-38m。排架間距為7.5m，每個排架布置4根樁。

上部結構采用適應大水位差的鋼筋混凝土框架結構，框架分為4層，全部采用現澆工藝；碼頭系纜設施采用550kN系船柱；防護設施選用DAA400H2000L型橡膠護舷，間隔布置，間距為2200mm；碼頭前后軌道梁中心距為12m；具體詳見圖1。

3.有限元計算模型

根據碼頭結構型式和力學特點，可將其簡化為桿件系統建立碼頭排架的有限元模型。結合《高樁碼頭設計與施工規范》（JTS 167-1-2010）和有限元分析的原理，采用MIDASCIVIL有限元軟件對全直樁框架碼頭進行計算，基樁與樁帽間為嵌固連接，根據嵌固點確定基樁的計算長度，樁端固結約束所有自由度。混凝土的彈性模量取3.25*104Mpa，泊松比取0.2。

3.1碼頭排架的作用荷載與效用分析

碼頭排架的永久作用包括結構自重和傳遞給橫梁的面板自重，鋼筋混凝土重度按25.0kN/m3計算。可變作用包括船舶系纜力、船舶撞擊力、碼頭面均布荷載、碼頭面流動機械荷載和移動式卸船機荷載。本文僅論證分析在不同水位不同船舶撞擊力作用下碼頭結構的受力情況，故其作用具體荷載如下：

（1）均載： q=20kN/m2。

（2）船舶撞擊力

按靠泊速度0.20m/s計算，船舶撞擊力為830kN。

3.2荷載作用組合

本文僅論證分析在不同水位不同船舶撞擊力作用下碼頭結構的受力情況，故荷載作用工況主要為正常使用期的工況，即相同的其他荷載作用+不同的船舶撞擊力作用。將船舶撞擊力分為四種，即：

（1）撞擊力01：設計高水位時作用在碼頭端部；

（2）撞擊力02：設計高水位時作用在碼頭中部；

（3）撞擊力03：設計低水位時作用在碼頭端部；

（4）撞擊力04：設計低水位時作用在碼頭中部。

故荷載作用與作用效應組合詳見表1。

3.3有限元模型的建立

為了較準確的模擬框架碼頭結構的剛度及質量分布，模型采用板單元模擬碼頭面板結構，采用梁單元模擬灌注樁基礎和上部框架結構。碼頭面上的附加質量則采用質量單元模擬。最終通過MIDAS-CIVIL軟件得到此碼頭結構的有限元分析模型如圖2所示。

4.模型計算分析

本文通過MIDAS-CIVIL計算軟件采用不同荷載作用效應對框架碼頭結構的受力情況進行計算，得到此結構段基樁及梁的軸力、彎矩和位移結果如圖3所示。

根據分析結果可知，在船舶撞擊力作用下，此高樁框架結構的碼頭結構內力及位移均較小，彎矩、位移最大值位于碼頭結構的兩端，彎矩值從大到小依次為組合三（1972kN*m）﹥組合四（1758k N*m） ﹥組合一（1556kN*m） ﹥組合二（1501kN*m）。

由于高樁框架碼頭整體結構剛度高，灌注樁抗彎承載能力強，船舶撞擊力作用下各灌注樁的彎矩分布較為均勻，每根灌注樁均能充分發揮其抗彎能力。因此，高樁框架碼頭結構比較適宜用于水位差較大的碼頭工程。

5.結語

本文以西江某電廠高樁框架碼頭結構為例，通過有限元計算軟件MIDAS-CIVIL進行計算，對碼頭結構在不同船舶撞擊力作用下的結構響應進行分析，分析結果表明，船舶撞擊力作用下：

（1）船舶撞擊力作用于結構段端部時位移最大；作用于結構段中間部位時，位移、彎矩均比作用于端部時小。作用位置由結構段端部向結構段中部，受力的均勻性越來越大；

（2）對高樁框架碼頭，船舶撞擊力作用下，水位越低，灌注樁彎矩最大值則越大；

（3）碼頭樁頂彎矩較大，設計時應加強樁與上部結構連接處的抗彎強度設計；

（4）高樁框架碼頭結構比較適宜用于水位差較大的內河碼頭工程，運營使用過程中應要求船舶按規范靠泊，盡量讓船舶停靠與碼頭的中部位置。

參考文獻：

[1]鄒智，王多垠，石興勇，等.框架碼頭樁基結構在不同水位船舶撞擊力作用下的受力分析.港工技術，2013（2）：27-31.

[2]JTS 167-1-2010.高樁碼頭設計與施工規范.北京：人民交通出版社，2010.

[3]JTS 144-1-2010.港口工程荷載規范[S].北京：人民交通出版社，2010.

[4]張毅文.高樁碼頭的空間性對結構計算的影響分析.天津：天津大學，2014.