內河架空直立式碼頭下部結構可靠度分析

庹莜葭 ，王多銀 ，李泉源 ，舒丹 ，吳林鍵

（1.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心，水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學河海學院，重慶 400074；3.廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530011）

隨著三峽大壩蓄水以來，庫區水位大幅提高，河岸及地形起伏變化大，處于庫區回水變動區的新建碼頭將面臨低水位施工時間短暫、碼頭的前方作業平臺與后方陸域平臺的地形高差大等問題。針對庫區變動回水區長時間的深水區、水位漲落變化大的洪水期的特點，王多垠等[1]提出了大樁徑、大跨度的“三跨四樁柱”的架空直立式碼頭結構形式，該結構形式相對更為簡單，減少樁基數量、降低碼頭造價，實現構件在陸上預制、現場安裝，加快施工進度。汪承志等[2]提出鋼護筒與鋼筋混凝土聯合受力的內河大水位差架空直立式結構，基于最不利單元搜索的單位荷載組合法，對復雜工況條件的該類碼頭力學特性進行探討。楊艷等[3]采用有限元軟件對架空直立式碼頭樁基進行了可靠度分析，討論了在典型荷載工況組合條件下的可靠度指標，結果表明船舶撞擊力對碼頭樁基的可靠度分析起著主導作用。

本文依托三峽庫區重慶港某碼頭工程項目，結合Monte Carlo法與ANSYS的PDS模塊，在承載能力極限狀態下對架空直立式碼頭下部結構的重要構件，即樁基、鋼橫撐、鋼前撐進行可靠度分析，以提高該類結構的工程性能。

1 有限元模型靜力分析

1.1 工程概況

三峽庫區重慶港某碼頭工程地處三峽庫區變動回水區，采用鋼護筒與鋼筋混凝土聯合受力的高樁直立框架結構，碼頭作業平臺長515 m，寬30 m，排架間距為8 m，共65榀，每榀排架設4根基樁，其中江側基樁采用φ2 000鋼筋混凝土嵌巖灌注樁外包直徑為2.2 mδ16的鋼護筒，其余3排基樁采用φ1 800鋼筋混凝土嵌巖灌注樁外包直徑為2.0 mδ16的鋼護筒，平臺前沿豎向設置6層系靠船設施，碼頭結構剖面圖如圖1所示。

圖1 碼頭橫向排架剖面圖Fig.1 The cross-section of wharf lateral bent

1.2 有限元建模

在不同荷載工況組合情況下，該架空直立式碼頭受力狀態十分復雜，并且碼頭結構主要構件的類型和尺寸有相當大的變化，涉及的功能函數表達式復雜，直接計算其可靠指標相當困難，故本文中，只針對其橫向排架在承載能力極限狀態下，對碼頭下部結構主要構件進行可靠度分析。結合實際工程，采用結構通用有限元軟件ANSYS建立碼頭的橫向排架模型。該模型采用3D二次有限應變梁單元BEAM189模擬，樁土相互作用通過假設嵌固點法限制其樁底的全部自由度。此外，考慮鋼護筒與鋼筋混凝土的接觸問題，對基于鋼護筒的鋼筋混凝土構件均采用ANSYS中Secread導入自定義的復合截面，最終有限元數值模型共劃分了609個單元，共計1 817個節點，見圖2。

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element model

1.3 設計荷載工況組合分析

根據文獻[3]可知船舶撞擊力對碼頭主體結構可靠度計算起決定性的作用，故本文在承載能力極限狀態下進行荷載組合時，將結構自重及堆載、門機荷載等視為常量，考慮船舶撞擊力作用在6種不同作用位置點（見圖3），對碼頭樁基、鋼橫撐、鋼前撐進行靜力特性分析。

圖3 撞擊力作用位置圖Fig.3 Theacting position of impact force

結果表明隨著撞擊力位置的不斷降低，樁基2到樁基4、鋼橫撐的彎矩不斷減少，而樁基1、鋼前撐的彎矩逐漸增大。當撞擊力作用于最底層鋼前撐構件的相交截面處時，鋼前撐出現應力集中，原因是：第一，橫向排架下面只焊接在鋼護筒表面上的鋼橫撐沒有起到足夠、有效傳導排架低水位作業時的水平撞擊荷載的作用，與鋼筋混凝土結構相比，沒有完全與整個碼頭結構形成一個結構整體；其二，前排樁基與后排樁基在撞擊力低水位處無聯系構件，建議以后在該類型碼頭設計時，在此高程處增加一排鋼聯系構件。此外，鋼橫撐不起作用主要是由于鋼橫撐與橫向聯系梁的剛度不協調所致，橫向聯系梁較鋼橫撐的剛度過大，建議以后可以在碼頭樁基處設立樁帽，連接橫向聯系梁和下部結構，有效減少剛度差，從而使得整個碼頭更加穩定。

2 碼頭下部結構可靠度分析

2.1 可靠指標分析

可靠指標分析采用Monte Carlo法，首先對影響可靠度的隨機變量進行大批隨機抽樣，然后把這些抽樣值一組一組地代入研究構件的功能函數中，統計出令結構失效的樣本數目，從而求得結構失效的頻率。本文的隨機變量在材料方面考慮C30混凝土彈性模量、Q235A鋼材彈性模量、Ⅱ級鋼筋抗拉強度，在受力方面考慮船舶撞擊力（各隨機變量的分布類型及統計參數見表1），將模型進行10萬次的仿真循環，繪出下部結構中前排樁基（樁基1）、鋼橫撐、鋼前撐的隨機變量樣本曲線圖，如圖 4（a）、（b）、（c）所示。根據失效概率公式[4]Pf=φ（-β），求出碼頭下部結構的可靠指標，見表2（其中置信度水平為0.95）。

表1 隨機變量統計數據表Table1 Thestatistic data of random variables

圖4 樣本曲線圖Fig.4 Sample curves

表2 碼頭下部結構的可靠指標Table2 The reliable indicator of thewharf'ssubstructure

從表2中可以看出，所有構件的可靠指標均大于3.5，滿足規范[5]的要求。前排樁基的可靠指標比后排樁基的可靠指標小，在設計該類碼頭樁基構件時，建議加大前排樁基的直徑，從而增加碼頭結構的安全可靠性。當撞擊力的位置在低水位處，鋼前撐的可靠指標最小，可靠指標值為4.186，從可靠度的角度驗證了前面靜力分析結果，表明當撞擊力處于低水位時，鋼前撐會出現應力集中現象，需強化構件設計，對該構件進行重點監測，以保證整體碼頭的安全性。此外，鋼橫撐的可靠指標均大于8，說明其可靠度遠大于規范要求，從構件正截面抗彎承載能力角度來說，該構件具有較高的安全性，可考慮進行構件的優化設計處理，在滿足規范要求的前提下，找到構件的最優尺寸，提高構件的經濟合理性，減小工程投資。

2.2 靈敏度分析

靈敏度分析主要是對隨機變量的敏感性分析，評價模型中隨機變量對構件的影響，由此提出構件的隨機變量的選取。如果計算出對某隨機變量的反應十分敏感（即該變量有較小的變動，就會對結果反應產生較明顯的影響），則在構件設計中應該嚴格控制該參數，確保整體結構的可靠性；如果對某隨機變量的反應不敏感，則在設計過程中可以當作常量對待[6]。由結構靜力分析與可靠度分析結果得知，當處于高水位撞擊力時，橫向排架的下部結構主要受力構件處于不利狀態，故建立組合一情況下的ANSYS可靠度循環分析文件（其中樁基是以彎矩效應的計算結果來表示其可靠度，而鋼橫撐和鋼前撐是以其截面最大正應力是否達到材料的屈服強度建立的功能函數的計算結果來表示其可靠度），輸入隨機變量，進行靈敏度分析，由于本文篇幅有限，故在此只列出前排樁基（樁1）、鋼橫撐及鋼前撐的靈敏度分析圖，如圖5（a）、（b）、（c） 所示。 其中圖例ZJ代表撞擊力，JBHZ代表均布荷載，KQF代表鋼構件的屈服強度，KZJM代表樁基的最小控制彎矩，MJHZ代表門機荷載，F1代表前邊梁和護輪坎的自重按照簡支梁計算傳遞至橫梁的作用力，F3表示普通縱梁的自重按照簡支梁計算傳遞至橫梁的作用力。

圖5 靈敏度分析圖Fig.5 The sensitivity analysis

由靈敏分析圖可以看出撞擊力對樁基的彎矩效應的影響大大超過了其他荷載的影響，特別是樁基1的可靠性對撞擊力十分敏感，在碼頭結構設計時宜加大前排樁基直徑。影響鋼橫撐、鋼前撐的功能函數因素主要是自身材料的屈服強度，說明其主要影響因素是自身材料的抗力，撞擊力對其可靠性的影響也較大，特別是鋼前撐。

2.3 散點圖分析

散點圖分析用于評估任意兩個隨機變量（輸入變量或者輸出變量）之間的分布關系，驗證模型中使用的樣本點是否符合用戶需要得到的相關特性，因此繪制最重要的隨機變量之間散點圖，是為了更好地提高工程結構的可靠性，故在撞擊力組合一的條件下，列出下部結構前排樁基（樁1）、鋼橫撐、鋼前撐的散點圖分析圖，見圖6（a）、b）、（c）。

由圖6可以看出，樁基的撞擊力與彎矩效應散點圖中，L1的斜率約等于1，表明樁基的彎矩效應基本上都是由撞擊力產生，其他荷載作用對其的彎矩效應影響微乎其微。鋼橫撐和鋼前撐的撞擊力與功能函數散點圖中，L2、L3斜率遠小于1，說明撞擊力對鋼橫撐和鋼前撐可靠性影響小，結合前面靈敏度結果分析，認為鋼橫撐及鋼前撐的可靠度主要受自身材料屈服強度的影響。

圖6 散點圖分析圖Fig.6 The scatter analysis

3 結語

根據以上分析及論證，本文可得出以下結論：

1）碼頭橫向排架靜力分析中，在低水位撞擊力處，鋼前撐出現應力集中，主要是由于鋼橫撐沒有有效傳導水平撞擊荷載，并且前排樁基與后排樁基在此高程處無橫向聯系構件，建議在設計時可以在此高程處增加一排鋼聯系構件。此外，在碼頭樁基處設立樁帽，減少橫向聯系梁和下部結構的剛度差，可使整個碼頭結構的受力更加均衡。

2） 結合ANSYS有限元技術與Monte Carlo法對碼頭樁基、鋼橫撐及鋼前撐進行可靠指標分析，結果表明所有構件滿足規范要求，但其中樁基和鋼橫撐可靠指標普遍偏高，可以對其進行構件優化設計，減小工程投資，此外鋼前撐的可靠指標值最小（特別是撞擊力作用于低水位處），需強化結構設計，對該構件進行重點監測，以保證整體結構的安全性。

3）通過對樁基、鋼橫撐及鋼前撐的靈敏度與散點圖分析，表明在結構設計時應重點考慮材料性能、幾何尺寸、荷載作用等因素，嚴格按照這些因素的概率分布類型標準值進行取值，以便判定結構的可靠度是否滿足規范的要求。

4）考慮鋼護筒與鋼筋混凝土接觸的處理，鋼護筒與橫縱向聯系撐的連接以及確定鋼護筒底位移變化等問題，建立數值模型時可能有些參數設置不精確使結論有不足，望以后深入研究。

[1] 王多垠，宋成濤，溫焰清，等.三峽庫區變動回水區架空直立式碼頭結構形式研究[J].水運工程，2011（3）：54-58.WANG Duo-yin,SONG Cheng-tao,WEN Yan-qing,et al.On overhead wharf structureal pattern in fluctuating backwater area of Three Gorges Reservior area[J].Port&Waterway Engineering,2011(3):54-58.

[2] 汪承志，劉建國，石興勇.鋼護筒與鋼筋混凝土聯合受力的內河大水差架空直立式碼頭力學特性分析[J].水運工程，2012（6）：115-120.WANG Cheng-zhi,LIU Jian-guo,SHI Xing-yong.Mechanical property of steel tube-R.C.concretecombined bearinginland overhead vertical wharf[J].Port&Waterway Engineering,2012(6):115-120.

[3] 楊艷，王多垠，易振友.架空直立式碼頭樁基可靠度分析[J].嘉應學院學報：自然科學，2013（8）：55-59.YANGYan,WANGDuo-yin,YIZhen-you.Reliability analysis of overhead vertical wharf[J].Journal of Jiaying University:Natural Sciences,2013(8):55-59.

[4] 盛驟，謝式千，潘承毅，等.概率論與數理統計[M].北京：高等教育出版社，2001.SHENGZhou,XIEShi-qian,et al.PANCheng-yi,et al.Probability and mathematical statistics[M].Beijing:Higher Education Press,2001.

[5]GB 50158—2010，港口工程結構可靠度統一設計標準[S].GB 50158—2010,Unified standard of reliability of structural design for harbour engineering[S].

[6] 張偉.結構的可靠性理論與應用[M].北京：科學出版社，2008.ZHANG Wei.Theory and application of structural reliability[M].Beijing:Science Press,2008.