架空直立式碼頭結構受力性能的影響因素分析

為研究不同因素對架空直立式碼頭結構受力性能的影響，文章以某架空直立式碼頭為研究對象建立有限元模型，分析了船舶撞擊高度，層間高度和橫梁截面尺寸對結構內力和位移的影響。結果表明：結構的最大彎矩隨著船舶撞擊高度、層間高度和橫梁截面剛度的增大而增大；結構的最大側向位移隨著船舶撞擊高度和層間高度的增大而增大，但隨著橫梁截面剛度的增大而減小。

架空直立式碼頭結構；受力性能；船舶撞擊高度；層間高度；橫梁截面尺寸

U656.1+24A642184

作者簡介：

李燕兵（1991—），碩士，工程師，主要從事水運工程檢測咨詢相關工作。

0" 引言

隨著我國航運事業(yè)的快速發(fā)展，碼頭結構形式越來越多樣化，受力特點也越來越復雜。其中，架空直立式碼頭結構因其運輸環(huán)節(jié)少、機械化程度高、吞吐量大、適應大水位差等優(yōu)點而被廣泛地應用于我國內河碼頭建設［1-2］。架空直立式碼頭結構屬于多次超靜定的框架結構，其受力性能與所承受荷載形式、結構形式和構件截面尺寸等因素有關。為了保證架空直立式碼頭結構在使用過程中的安全性，有必要研究不同因素變化對結構受力性能的影響。

針對不同因素對架空直立式碼頭結構受力性能的影響，國內外學者已開展了相關研究。庹莜葭等［3］采用ANSYS軟件建立三峽庫區(qū)重慶港某碼頭的橫向排架模型，分析了船舶撞擊力作用在不同位置點時碼頭樁基、鋼橫撐和鋼前撐的彎矩變化。劉明維等［4］以重慶主城港區(qū)某架空直立式碼頭為研究對象，采用ANSYS軟件數(shù)值分析了承臺寬度和樁直徑對碼頭水平撞擊力分配系數(shù)的影響。舒丹等［5］利用MIDAS軟件建模分析了某架空直立式碼頭結構在堆貨荷載、船舶荷載和門機荷載作用下的最不利內力值出現(xiàn)位置，并提出了一種可尋求各構件最不利荷載工況組合情況的算法。周世良等［6］基于傳統(tǒng)全直樁的缺點，提出帶嵌巖斜樁的架空直立式碼頭結構形式，并采用數(shù)值模擬方法對比分析了全直樁和嵌巖樁架空直立式碼頭結構的內力和變形情況。李月臻［7］以三峽庫區(qū)重慶奉節(jié)地區(qū)深厚覆蓋層為原型，通過ABAQUS軟件探究了土體變形對架空直立式碼頭結構橫向承載性能的影響。Xie等［8］通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬的方法分析了架空直立式碼頭結構在船舶撞擊荷載作用下的受力特性，初步推導了樁所受荷載與位移之間的關系。Zeng等［9］利用ANSYS軟件對某航運公司第三碼頭軌道梁在偏心荷載作用下進行了組合仿真計算，發(fā)現(xiàn)后方堆載會導致土體水平位移和承臺構件相對錯位。

綜上所述，既有研究主要分析了不同荷載作用下和不同結構形式的碼頭受力特性。本文在已有研究的基礎上，利用OpenSees軟件建立某架空直立式碼頭的有限元模型，分別計算分析了不同船舶撞擊高度，層間高度和橫梁截面尺寸下結構內力和位移的變化，為架空直立式碼頭結構的設計提供參考。

1" 工程概況及有限元模型的建立

1.1" 工程概況

本文以某架空直立式碼頭為研究對象。該碼頭由五榀橫向排架組成，總高為42 m，設計高低水位差為31 m，如圖1所示。每榀橫向排架的間距為5 m，橫梁的

跨度為8 m，柱的直徑分別為2.2 m、2 m和1.4 m，Ⅰ類橫梁的截面尺寸為1.2 m×1.5 m，Ⅱ類橫梁的直徑為1.5 m，板厚為0.7 m。結構采用C30的混凝土，HRB400的縱向鋼筋，HPB300的箍筋。梁和柱的具體配筋情況見圖2。

碼頭前沿設置7層靠船平臺，每層靠船平臺都設置靠船立柱。船舶的撞擊高度共計9種，范圍為18～42 m，每隔3 m一個撞擊點。作用在結構上的荷載考慮結構自重、船舶撞擊力、堆貨荷載和集裝箱裝卸橋荷載。結構自重可通過軟件計算，船舶撞擊力為1 030 kN，堆貨荷載為30 kN/m3。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）［10］，集裝箱裝卸橋荷載的軌距為16 m，支腿距離為14 m，輪距為0.8 m，最大輪壓為280 kN。

架空直立式碼頭結構受力性能的影響因素分析/李燕兵，仝" 亞，劉昕玥

1.2" 有限元模型的建立

本文采用OpenSees軟件建立結構的有限元模型，如圖3所示。其中，立柱采用彈塑性纖維梁柱單元模擬，橫梁和縱撐采用非線性梁單元模擬，樁-土效應采用土彈簧模擬，混凝土材料采用Concrete04本構模型模擬，鋼筋材料采用Steel02本構模型模擬。

2" 架空直立式碼頭結構受力性能影響因素分析

2.1" 撞擊高度的影響

為研究不同撞擊高度對架空直立式碼頭結構受力性能的影響，計算了9 m層高下船舶撞擊在第三榀排架時對應9種撞擊高度的立柱內力和側向位移。通過計算結果發(fā)現(xiàn)，船舶撞擊排架的立柱內力均大于其他未被撞擊排架的立柱內力，撞擊點立柱的側向位移均大于非撞擊點立柱的側向位移。故本節(jié)僅給出被撞擊排架的立柱內力和撞擊點立柱的側向位移。

如圖4所示是不同撞擊高度下第三榀排架四根立柱的最大彎矩值。由圖4可知，不同撞擊高度下位于排架兩側的1#柱和4#柱最大彎矩值大于位于排架內側的2#柱和3#柱最大彎矩值。這表明1#柱和4#柱為危險構件。此外，1#柱和4#柱的最大彎矩受撞擊高度的影響較大，2#柱和3#柱的最大彎矩受撞擊高度的影響較小。1#柱的最大彎矩在不同撞擊高度下的變化幅度較大，4#柱的最大彎矩隨著撞擊高度的增加而緩慢增加。如圖5所示為不同撞擊高度下1#柱的最大側向位移。由圖5可知，1#柱的最大側向位移隨著撞擊高度的增加呈線性增長。

2.2" 層間高度的影響

為研究不同層間高度對架空直立式碼頭結構受力性能的影響，計算了30 m撞擊高度下船舶撞擊在第三榀排架時對應7種層間高度的立柱內力和側向位移。根據(jù)前文計算結果可知，船舶撞擊排架的1#柱和4#柱內力大于2#柱和3#柱。故本節(jié)僅給出被撞擊排架的1#柱內力、4#柱內力和撞擊點立柱的側向位移。

如下頁圖6所示是不同層間高度下第三榀排架1#柱和4#柱的最大彎矩值。由圖6可知，隨著層間高度的增大，1#柱和4#柱的最大彎矩逐漸增大。但是，1#柱的最大彎矩波動范圍較大，4#柱的最大彎矩變化幅度較小。這表明層間高度的變化對4#柱的最大彎矩影響并不是很大，應該重點關注1#柱的最大彎矩值。如圖7所示是不同層間高度下1#柱的最大側向位移，可以看出1#柱的最大側向位移隨著層間高度的增加而增長，且最大側向位移增長速度越來越大。

2.3" 橫梁截面尺寸的影響

為研究不同橫梁截面尺寸對架空直立式碼頭結構受力性能的影響，在保證截面面積不變的情況下設計了6種Ⅱ類橫梁的截面尺寸，并計算了層高為9 m，撞擊高度為30 m，船舶撞擊在第三榀排架時對應6種Ⅱ類橫梁截面尺寸的1#柱內力和側向位移。6種Ⅱ類橫梁截面尺寸的具體信息見表1。

如圖8所示是不同截面尺寸下第三榀排架1#柱的最大彎矩值。由圖8可知，隨著Ⅱ類橫梁截面尺寸的變化，1#柱的最大彎矩也在不斷變化。總體而言，在截面面積不發(fā)生變化的情況下，1#柱的最大彎矩隨著Ⅱ類橫梁截面高度的增大而增大。這是因為Ⅱ類橫梁截面高度的增大，也就是截面剛度的增大，導致1#柱分配到的彎矩較大。如圖9所示是不同截面尺寸下第三榀排架1#柱的最大側向位移，可以看出最大側向位移隨著梁截面高度的增大而減小。這是因為Ⅱ類橫梁截面高度的增大，也就是截面剛度的增大，導致梁對柱的約束作用增強，從而使柱的變形減小。

3" 結語

本文以某架空直立式碼頭為研究對象，利用OpenSees軟件建立有限元模型，分析了船舶撞擊高度、結構層間高度和橫梁截面尺寸對結構受力性能的影響，得出主要結論如下：

（1）隨著船舶撞擊高度的增大，被撞擊排架立柱的最大彎矩和最大側向位移增大。被撞擊排架的1#柱和4#柱最大彎矩在不同撞擊高度下都大于2#柱和3#柱最大彎矩，且1#柱最大彎矩隨著船舶撞擊高度的變化而發(fā)生較大幅度的變化。

（2）隨著結構層間高度的增大，被撞擊排架立柱的最大彎矩和最大側向位移增大，最大側向位移的增長速度也越來越大。此外，被撞擊排架的1#柱最大彎矩受結構層間高度變化的影響大于4#柱，其波動范圍較大。

（3）隨著橫梁截面尺寸的變化，被撞擊排架立柱的最大彎矩和最大側向位移也在變化。隨著橫梁截面剛度的增大，1#柱的最大彎矩增大，但是最大側向位移減小。

（4）在工程實踐中，應根據(jù)實際情況綜合考慮選用合理層間高度和橫梁截面尺寸，保證結構在使用過程中的最大彎矩和最大側向位移在規(guī)范允許范圍內。

［1］吳" 俊，吳" 凡，馬御風，等.內河架空直立式碼頭群樁重要性評價方法［J］.水道港口，2023，44（1）：73-81.

［2］鄭" 濤，何" 歡.多隨機變量下的架空直立式碼頭樁基可靠度分析［J］.水運管理，2016，38（8）：20-23.

［3］庹莜葭，王多銀，李泉源，等.內河架空直立式碼頭下部結構可靠度分析［J］.中國港灣建設，2014（12）：1-5.

［4］劉明維，翁珍燕，楊" 洋，等.架空直立式碼頭船舶撞擊力橫向分配系數(shù)數(shù)值模擬［J］.水運工程，2013（5）：63-67.

［5］舒" 丹，劉明維，吳林鍵，等.內河架空直立式碼頭三維空間結構構件最不利荷載工況組合算法［J］.中國港灣建設，2014（2）：37-44.

［6］周世良，胡" 沛，周" 洋.全直樁和嵌巖斜樁架空直立式碼頭結構特性分析［J］.水運工程，2015（6）：46-50.

［7］李月臻.三峽庫區(qū)深厚覆蓋土層對大水位差架空直立式碼頭結構橫向承載性能影響研究［D］.重慶：重慶交通大學，2022.

［8］Xie YF，Tang WQ，Tang JP.Analysis of the Working Characteristics of High-Pile Wharf Pile Foundation under Berthing Load［J］.Applied Mechanics and Materials，2013（256-259）：1 946-1 951.

［9］Zeng QD，Deng JR.Finite Element Analysis of Wharf Track Beam under Eccentric Load［J］.Applied Mechanicsamp; Materials，2014（556-562）：700-703.

［10］JTS 144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范［S］.

20240225