封倉(cāng)蓋板對(duì)圓沉箱內(nèi)力的影響分析

鄒艷春，王煒正

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071）

封倉(cāng)蓋板對(duì)圓沉箱內(nèi)力的影響分析

鄒艷春，王煒正

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071）

文章采用空間有限元分析方法，在不同的外荷載下，針對(duì)不同的封倉(cāng)蓋板條件，對(duì)圓沉箱的內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比，綜合分析封倉(cāng)蓋板對(duì)沉箱各部位內(nèi)力的影響，為圓沉箱的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供借鑒。

有限元分析；圓沉箱；蓋板；沉箱內(nèi)力

圓沉箱結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于外海大型墩式碼頭中，其所承受的外力條件較為復(fù)雜，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，通常在頂部設(shè)置一定厚度的鋼筋混凝土封倉(cāng)蓋板［1］。現(xiàn)行規(guī)范［2］對(duì)沉箱在不同構(gòu)造條件下（有/無(wú)蓋板，不同蓋板厚度等）的受力模式未作明確建議，實(shí)踐中通常不考慮封倉(cāng)蓋板對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)受力的影響。

本文以“十”字形隔墻圓沉箱為例，在不同外荷載條件下，針對(duì)不同的封倉(cāng)蓋板條件，采用有限元方法［3］對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析封倉(cāng)蓋板對(duì)沉箱各部位內(nèi)力的影響，為圓沉箱的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供借鑒。

1 沉箱結(jié)構(gòu)基本信息

1.1沉箱尺寸及劃分

本文采用某LNG碼頭圓沉箱結(jié)構(gòu)尺寸，直徑15.0 m，高19.2 m，底板厚1.0 m，外壁厚0.45 m，“十”字形隔墻厚0.25 m，外趾長(zhǎng)1.5 m。對(duì)沉箱作如下劃分：（1）上部：沉箱頂部加寬范圍內(nèi)（3.15 m）；（2）中部：上部和下部之間的所有范圍；（3）下部：底板至底板以上1.5倍內(nèi)隔墻間距范圍內(nèi)（底板以上12 m范圍內(nèi)）。本文所列數(shù)據(jù)均為極端高水位6.025 m工況下計(jì)算結(jié)果。

1.2模型及約束

本文采用Robot有限元軟件［4］對(duì)沉箱內(nèi)力進(jìn)行分析計(jì)算。沉箱采用整體模型建模［4］。底板、外趾、外壁及隔墻均采用板殼單元進(jìn)行模擬，除底板在圓心處采用三角形單元外，其余均采用四邊形單元，各部位之間為固結(jié)連接。封倉(cāng)蓋板嵌入沉箱內(nèi)0.5 m，與沉箱按固結(jié)連接考慮。底板和外趾平面x、y方向設(shè)位移約束，z方向設(shè)彈性支撐約束［5］。模型單元?jiǎng)澐衷斠妶D1。

1.3沉箱承受的主要外力

本文中沉箱承受的主要外力如下：

（1）豎向荷載：自重、上部荷載等。豎向荷載換算成線荷載施加到沉箱外壁和隔墻上。線荷載的大小=（豎直力的大小*側(cè)壁或隔墻厚度）/側(cè)壁或隔墻頂部截面面積。（2）貯倉(cāng)壓力（內(nèi)填開山石）。貯倉(cāng)壓力沿沉箱內(nèi)壁采用面荷載的形式施加。（3）橫向荷載：波浪力、船舶撞擊力、船舶系纜力等。

波浪力大小根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算［6］，采用面荷載的形式施加；由于波浪相位的不同，側(cè)向波浪力大小在沉箱圓周及高度方向均不相同［7］，浮托力按均載施加在沉箱底部。船舶撞擊力和系纜力產(chǎn)生的橫向水平力和力矩折算到沉箱頂部，換算成線荷載施加到沉箱外壁和隔墻上。橫向水平力換算后線荷載的大小=（水平力的大小*側(cè)壁或隔墻厚度）/側(cè)壁或隔墻頂部截面面積。橫向力矩?fù)Q算后線荷載的大小=（力矩的大小*側(cè)壁或隔墻厚度*作用點(diǎn)位置離沉箱中心的距離）/側(cè)壁或隔墻頂部截面慣性矩。

圖1圓沉箱模型單元的劃分Fig.1Unit division of cylindrical caisson model

2 有/無(wú)封倉(cāng)蓋板條件沉箱內(nèi)力分析

為使分析更具針對(duì)性，針對(duì)有/無(wú)封倉(cāng)蓋板條件，分別對(duì)沉箱各部位在不同外力類型作用下的受力進(jìn)行列表對(duì)比（蓋板厚度為0.5 m，彎矩單位為kN·m/m，剪力、軸力的單位為kN，外力計(jì)算等略）。

2.1豎向荷載作用

豎向荷載作用下，僅因上部豎向荷載在有/無(wú)蓋板條件下的力傳導(dǎo)路徑不同，封倉(cāng)蓋板對(duì)隔墻上部軸力有一定影響，對(duì)沉箱其他部位的影響均不明顯（表1僅列出隔墻軸力結(jié)果，其他結(jié)果略）。

2.2貯倉(cāng)壓力作用

貯倉(cāng)壓力作用下，沉箱底板內(nèi)力較大，外壁及隔墻內(nèi)力沿高度變化分布，彎矩較小。

封倉(cāng)蓋板對(duì)沉箱底板內(nèi)力影響較大，相較無(wú)蓋板條件下，底板內(nèi)力降低達(dá)30%～90%，詳見表2；封倉(cāng)蓋板對(duì)其他部位內(nèi)力無(wú)明顯影響。

2.3橫向荷載作用

本文主要考慮波浪力和船舶撞擊力二種橫向荷載作用。從計(jì)算結(jié)果分析可知，在封倉(cāng)蓋板對(duì)沉箱外壁的約束下，沉箱外壁的內(nèi)力分布產(chǎn)生一定變化，特別是沉箱外壁中上部彎矩、豎向軸力均有較大幅度的減小，對(duì)其他部位的影響不明顯（表3～表4）。

3 不同厚度蓋板對(duì)沉箱內(nèi)力影響

從上述計(jì)算分析可知，封倉(cāng)蓋板對(duì)沉箱各部位的內(nèi)力均有不同程度的影響，為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同蓋板厚度對(duì)沉箱內(nèi)力的影響，本文選取貯倉(cāng)壓力和波浪力作用工況，針對(duì)0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m五種蓋板厚度，進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。

在貯倉(cāng)壓力作用下，蓋板厚度的變化對(duì)沉箱內(nèi)力的影響不明顯（結(jié)果略）。

圖2豎向荷載Fig.2Vertical load

圖3貯倉(cāng)壓力Fig.3Barn pressure

圖4波浪力Fig.4Wave force

圖5撞擊力及系纜力Fig.5Berthing force&mooring force

表1豎向荷載作用下沉箱隔墻軸力Tab.1 Axial force of partition wall under vertical load

表2貯倉(cāng)壓力作用下底板彎矩和剪力Tab.2Bending moment and shear force of bottom plate under barn pressure

表3波浪力作用下外壁彎矩和軸力Tab.3Bending moment and axial force of outer wall under wave force

表4船舶撞擊力作用下外壁彎矩和軸力Tab.4Bending moment and axial force of outer wall under berthing force

在波浪力作用下，外壁和隔墻中、上部彎矩隨蓋板厚度的增加呈減小趨勢(shì)，厚度大于1.5 m時(shí)，其影響呈減少趨勢(shì)（圖6～圖7）。

圖6外壁內(nèi)力結(jié)果比較圖Fig.6Comparison of outer wall internal force

圖7隔墻內(nèi)力結(jié)果比較圖Fig.7Comparison of partition wall internal force

4 結(jié)語(yǔ)

（1）封倉(cāng)蓋板對(duì)沉箱各部位的內(nèi)力影響明顯，沉箱內(nèi)力總體呈下降趨勢(shì)，因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮封倉(cāng)蓋板的作用。（2）設(shè)置封倉(cāng)蓋板后，貯倉(cāng)壓力對(duì)圓沉箱底板的作用降低較為明顯，在設(shè)計(jì)中可適當(dāng)降低沉箱內(nèi)填料的要求或?qū)Φ装暹M(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。（3）設(shè)置封倉(cāng)蓋板后，雖然沉箱上部外壁的內(nèi)力有不同程度的下降，但綜合考慮該部位所處條件及所受的外部荷載較為復(fù)雜，在工程實(shí)踐中，仍需對(duì)沉箱外壁上部做適當(dāng)加厚處理。（4）封倉(cāng)蓋板厚度變化，對(duì)沉箱內(nèi)力有一定影響，整體呈負(fù)相關(guān)，但從變化趨勢(shì)分析，在蓋板厚度超過(guò)1.5 m后，其影響漸趨減弱。（5）設(shè)置封倉(cāng)蓋板后，沉箱頂部與蓋板銜接處受力較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)中應(yīng)作適當(dāng)加強(qiáng)。

［1］交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè):中冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］JTS 167-2-2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

［3］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［4］方愛東,陳際豐,劉國(guó)寶.有隔墻大型圓沉箱內(nèi)力計(jì)算方法探討［J］.水運(yùn)工程，2006（10）：220-224. FANG A D,CHEN J F,LIU G B.Internal force calculation for large cylindrical caissons with partition wall［J］.Port&Waterway Engineering,2006（10）：220-224.

［5］喬友剛,孫承福,蘇麗娟.沉箱結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.港工技術(shù)，2009（2）：20-23,26. QIAO Y G,SUN C F,SU L J.Finite element analysis of caisson structure［J］.Port Engineering Technology,2009（2）：20-23,26.

［6］JTS145-2-2013，海港水文規(guī)范［S］.

［7］張政生.倉(cāng)頂均載及非單一填料貯倉(cāng)壓力計(jì)算方法［J］.水運(yùn)工程，2007（3）：53-55. ZHANG Z S.Computing method for barn pressure caused by uniform load and different materials［J］.Port&Waterway Engineering, 2007（3）：53-55.

Analysis of influence of hatch cover on cylindrical caissons′internal force

ZOU Yan?chun，WANG Wei?zheng
（CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China）

With finite element analysis method,under the different loads,according to different conditions of the hatch cover,the internal force calculating results of the cylindrical caissons were compared in this paper,and the influence of hatch cover plated on each part of the caisson was analyzed.The results may serve as a reference for the optimization design of circular caisson.

finite element analysis;cylindrical caisson;hatch cover;caisson internal force

TV312

A

1005-8443（2015）04-0359-03

2015-05-27；

2015-06-12

鄒艷春（1976-），女，江西省南昌市人，高級(jí)工程師，主要從事港口及航道工程設(shè)計(jì)研究。

Biography：ZOU Yan?chun(1976-),female,senior engineer.