輕型碼頭結構計算方法研究

■馬長禮 ■海軍工程設計研究院，北京市 100070

1 碼頭的主要結構型式及其特點

碼頭常見的結構型式有以下幾種:

(1)樁基式碼頭。這是國內碼頭較為常用的一種結構型式，其具體特點如下:位于海中的樁基具有結構體積小的特點，這使其所出承受的波浪和水流作用力相對較小;樁基結構本身的承載能力較好，結構受力非常合理，即便碼頭水深增加，其總體造價也不會出現過大的波動變化，經濟性較佳，適用于水域較深的工程;由于直立式樁基礎的抗側移剛度相對較小，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。此類結構型式的碼頭技術相對比較成熟，在國內碼頭中的應用也比較廣泛，它的具體特點如下:傳統結構類型，設計與施工技術都比較完善，并且各方面經驗也十分豐富;對外力具有非常良好的適應性;設備基礎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系;在水深且流速較大的海域上施工比較困難，海上作業兩大、施工時間廠，危險系數較高。

(3)導管架碼頭。所謂的導管架結構就是由鋼管焊接成塔架，它的主體結構為直立套管，這些套管全部是在工廠內預先制作完成在運輸到施工現場的，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。這種結構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 輕型碼頭結構優化分析

2.1 輕型碼頭結構

所謂的輕型碼頭實質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，這種碼頭結構的主要組成部分如下:上部平臺、透空式樁與支撐體系、基礎結構。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;基礎結構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構和鋼管混凝土結構。

2.2 結構受力特點

由于輕型碼頭結構位于海中部分的體積較小，所以受水流、波浪的影響也較小，主要依靠結構受力，并且受力合理。這與重力式碼頭結構依靠自身重量維持穩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構受力產生的負面影響。在設計輕型碼頭時，可根據港口條件，在結構基礎采用巖基淺埋技術，增強結構基礎的抗壓能力。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構承受的主要作用力，所以在計算輕型碼頭結構平面尺寸時，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，在結構計算時必須對此予以重視。

2.3 優化限定條件

輕型碼頭結構受撞擊力的影響較大，樁端會產生較大拉力，在優化輕型碼頭結構的過程中，必須要確保該拉力小于樁的抗拔力;為防止輕型碼頭結構過早疲勞，必須保證桿件滿足強度要求，使管節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;輕型碼頭結構的桿件和節點尺寸要滿足構造要求，在計算輕型碼頭結構局部穩定性和管節點靜力強度時充分考慮桿件和節點尺寸因素。

3 輕型碼頭靜動力計算方法

3.1 靜力計算方法

(1)結構整體計算。利用ANSYS對輕型碼頭靠船墩結構進行有限元分析，具體分為建立結構整體模型、施加荷載求解、獲取分析結果三個步驟。對輕型碼頭結構在不同荷載作用下的結構內力和位移進行計算，主要包括波浪力、撞擊力、永久荷載、系纜力、水流力等荷載。建立輕型碼頭結構有限元模型，根據結構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。在優化輕型碼頭結構過程中，存在著樁內灌注混凝土砂漿和散體的情況，在計算第一種情況時，要綜合考慮樁內混凝土的質量和剛度，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。按照我國現行規范標準的規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鋼管混凝土受壓構件?？砂凑瘴覈F行的規范標準要求，對鋼管混凝土樁在壓彎狀態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，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)結構穩定性驗算。由于軸心受壓構件都或多或少地存在各種初始缺陷，其實際失穩歸屬于極值失穩的范疇，并且多數都是發生在彈塑性狀態下。故此，可以壓彎構件的極限荷載理論對其極限承載力進行確定。而對于軸壓構件來講，當其原材料屬性、截面形狀與尺寸、構件長度、端部約束等條件全部給定時，可通過數值法來獲取構件的極限荷載值。我國現行的規范標準中對軸心受壓構件的穩定系數進行了明確規定，可按極限荷載理論，并使用逆算單元法進行計算。在輕型碼頭結構中，因構件長度方向的不同，使得大部分壓彎構件承受的彎矩呈現出不均勻分布狀態。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，而后根據均勻分布的壓彎構件對其平面的穩定性進行計算。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。輕型碼頭結構的穩定驗算公式如下:

3.2 動力計算方法

(1)自振特性計算。輕型碼頭結構的質量和剛度對其固有振動特性能夠產生重大影響。采用ANSYS分析軟件對輕型碼頭結構進行模擬分析，確定其自振特性。在計算過程中，使用Block Lanczos法，并采用完整的質量和剛度矩陣。樁基結構共分為以下三種:樁基為純鋼管結構，其自振周期為0.51s;樁基內灌注散體，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論，即輕型碼頭結構的自振周期一般均不超過0.7s，并且結構剛度越大，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。采用瞬態動力學在時域內分析波浪荷載作用下的輕型碼頭結構動力，利用求解精度高的完全法進行相關計算。瞬態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，采用阻尼常數α、β對阻尼矩陣進行結構定義。由此可得阻尼矩陣［C］的公式為:

在公式中，ω表示結構圓頻率，ξ表示阻尼比，選取3%。根據現行規范對輕型碼頭結構動力進行分析時，對波浪荷載采用標準值。通過計算可知，輕型碼頭結構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構計算。

(3)撞擊作用下的動力計算。在船舶撞擊作用下，輕型碼頭結構動力響應與撞擊時間長短有著密切關系。在撞擊時間較短的情況下，結構動力響應十分明顯，其動力放大系數高達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，結構動力響應并不明顯，可將撞擊力視為靜力荷載進行計算。

4 結論

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

［1］劉坤.陳廷國.易平.張淵.輕型碼頭結構提高疲勞壽命的方法研究［J］.哈爾濱工業大學學報.2011(3).

［2］胡家順.李新國.盧昭.樁基地連墻碼頭結構新形式應用與研究［J］.水運工程.2011(9).

［3］楊國平.適應離岸深水、巖基淺埋條件的輕型碼頭結構研究［D］.大連理工大學.2011.