架空斜坡式碼頭在大水位差山區河流碼頭中的應用

程星

摘 要：架空式斜坡碼頭是我國大水位差（水位差可達20 m～30 m）山區河流的最主要碼頭結構形式。因此，在工程設計時，詳細分析實例工程的受力情況，保證碼頭結構的穩定性是工程穩定性的重要前提。本文以重慶江津區魚尾磧碼頭為實例工程，借助三維有限元數值模擬技術，研究了在最不利工況下，實例工程的碼頭自身結構穩定性及岸坡穩定性。為實例工程的建設提供了穩定性支持依據，也為同類工程的研究計算提供了參考。

關鍵詞：架空式斜坡碼頭;大水位差;岸坡穩定;樁基應力

中圖分類號：U656.1 文獻標識碼：A

1 實例工程概況

本文以重慶江津區魚尾磧碼頭為實例工程。實例工程位于長江合川魚尾磧段。工程段距離重慶主城李家沱河段約75.5 km，地理坐標為經112°11′21″，北緯32°14′39″。實例工程碼頭設計噸位為3 000噸級，碼頭主要貨種為件雜貨和干散貨。斜坡坡比為1：2.5，并采用實心六角塊進行護面。同時，斜坡采用11根樁基進行支撐。

2 三維有限元模型建立

綜合考慮實例工程的建設條件、各類三維結構數學計算模型的適用范圍、計算精度，最終采用ANSYS有限元計算軟件進行建模分析。

2.1 三維數模建立及單元網格劃分

采用三維有限元模型進行計算模型建立，網格劃分采用穩定性最好的三角網格網格（在應力、荷載傳遞計算中不容易發散）間距設置為5.0 m。經劃分，整個計算模型共有22 856個網格、37 530個網格節點。

2.2 模型主要參數定義

根據魚尾磧碼頭的實際情況，各部分材料的特征參數如下：

擋土墻為C40混凝土，密度為2 400 kg/m3，內摩擦角為14.0°，彈性模量為30.5 GPa;地基土以粉質粘土為主，密度為2 020 kg/m3，內摩擦角為25.8°，彈性模量為0.12 GPa。

同時，根據對實例工程的分析，實例工程受到以下外部荷載：均布荷載（30 kPa，豎直向下）;水流壓強（10.45 kPa，垂直于作用面）。

3 數模計算及結果分析

根據大量工程實踐經驗，架空斜坡式碼頭在最高通航水位下的穩定系數最小，最容易受到滑移、傾覆破壞。因此，本文主要分析在最高通航水位下，碼頭自身的受力情況，以及碼頭岸坡穩定情況。

3.1 碼頭樁基應力分布云圖

對碼頭樁基進行編號處理，令碼頭斜坡底部的樁基編號為1#，然后依次向上，編號分別為2#、3#，直至11#。

根據數模計算結果，實例工程碼頭的壓應力分布和拉應力分布云圖依次見圖1與圖2。分析可知：

（1）實例工程最大壓應力主要分布在8#樁基和9#樁基，最大壓應力為9.85 MPa，小于C40混凝土20 MPa的抗壓要求，符合規范。

（2）實例工程的最大拉應力分布區域與最大主壓應力分布區域一致，也在8#樁基和9#樁基。經計算，最大拉應力為1.6 MPa。小于C40混凝土2.0 MPa的抗拉要求，符合規范。

進一步分析可知，實例工程的主要拉應力分布在T梁的跨中截面區域。建議對該區域進行加筋防護。

3.2 碼頭樁基形變值分布分析

根據數模計算結果，在最高通航水位工況下，實例工程碼頭在水平、豎直兩個方向形變值分布云圖見圖3，分析可知：

（1）1#至3#墩臺結構在水平、豎直兩個方向的變形值都非常小（0.01 cm～0.05 cm）。而4#至11#樁基的變形值都相對較大（0.08 cm～0.15 cm）。最大值出現在 Y軸負方向，最大值為0.15 cm，小于規范要求的0.25 cm安全值，滿足規范。

（2）4#至11#樁基（尤其是Z軸方向）受到水流沖擊作用影響較大，在8#樁基和9#樁基，最大值為0.098 cm。因此，應當在上部橫梁布置時加強結構抵抗橫向受力的加勁肋或橫隔梁，增加實力工程橫向受力穩定，保證實例工程結構安全。

（3）樁基的變形會傳遞、影響接觸的土體，從而使得土體產生被動土壓力，抵消一部分變形作用。在實例工程中，有土體覆蓋的區域，樁基底部變形值相對較小，安全穩定性相對更高。

3.3 岸坡土體形變值分析

根據數模計算結果，進一步分析岸坡土體形變值。分析可知：

（1）總體來看，魚尾磧碼頭工程岸坡土體的形變值在0.02 cm～0.17 cm范圍內。

（2）1#至3#墩臺結構接觸的土體部分形變值較小?；痉植荚?.02 cm～0.08 cm范圍內。

（3）4#至11#樁基接觸的土體變形值相對較大，基本分布在0.05 cm～0.17 cm范圍內，且基本在表層土體區域。在中深層土體，變形值基本趨近于0。

（4）變形值最大的土體為與8#樁基和9#樁基接觸的土體部分。產生較大變形值的原因主要有陸域后方土體滑坡推力的影響，以及受水流力的作用效應影響。

4 結論

本文選擇重慶江津區魚尾磧碼頭作為實例工程。借助ANSYS三維有限元數值模擬軟件，分析了實例工程最不利工況（最高通航水位下），碼頭自身的應力分布情況，以及碼頭范圍內的形變分布情況。研究結果顯示，在最不利工況下，魚尾磧架空式斜坡碼頭的拉應力、壓應力最大值均滿足規范要求，碼頭整體的形變值較小，且岸坡基本保持穩定。因此，實例工程結構設計合理，符合規范要求。

參考文獻：

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