廣義結(jié)構(gòu)剛度在高樁碼頭構(gòu)件重要性評價中的應(yīng)用

駱 城 趙沖久（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000 ）

廣義結(jié)構(gòu)剛度在高樁碼頭構(gòu)件重要性評價中的應(yīng)用

駱 城 趙沖久
（哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000 ）

本文回顧了理論和工程中較為常見的構(gòu)件重要性評價方法，其中廣義結(jié)構(gòu)剛度法物理含義明確，計算較為簡便，尤其適合于高樁碼頭結(jié)構(gòu)，值得在工程設(shè)計及結(jié)構(gòu)評估中推廣應(yīng)用。采用此方法對高樁碼頭結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的構(gòu)件重要性進(jìn)行了分析，得出了一些有意義的結(jié)論。

廣義結(jié)構(gòu)剛度；高樁碼頭；結(jié)構(gòu)評估

一、引言

JTJ 302-2006 《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，基本單元（個別構(gòu)件）的最低等級決定子單元（某類構(gòu)件）等級，進(jìn)而得到評估單元（碼頭）等級，這就導(dǎo)致如果存在少數(shù)破損嚴(yán)重的構(gòu)件，即使其他部位完好，該碼頭評級也會很低。這種針對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的評估方法是沿用了擬建結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，即要求每個構(gòu)件在一般正常荷載作用下其極限作用效應(yīng)都應(yīng)滿足要求。但是該方法對于既有結(jié)構(gòu)的評估不太適用，既有結(jié)構(gòu)評估應(yīng)更加關(guān)注不同類型、不同部位的構(gòu)件失效或破壞對整體結(jié)構(gòu)的影響，這就需要根據(jù)某種甚至某個構(gòu)件的破損程度綜合評估整個結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，從而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評級，而非采用水桶短板原則，最差構(gòu)件的等級即為整個結(jié)構(gòu)等級。如何判斷某個構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的重要程度呢？這就需要引入一個構(gòu)件重要性評價指標(biāo)。

二、現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性評價方法

朱崇誠等提出的基于系統(tǒng)可靠性理論的在役碼頭可靠性評價方法，其缺點是構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中相互耦合，使得構(gòu)建結(jié)構(gòu)失效樹特別困難。同時還需要對荷載、承載力等因素的分布進(jìn)行假設(shè)，因此難以應(yīng)用于一般的工程結(jié)構(gòu)。

張雷明提出基于能量流的構(gòu)件重要性評價指標(biāo)，通過比較拆除構(gòu)件后對結(jié)構(gòu)總應(yīng)變能的影響來確定該構(gòu)件的重要性。其缺點是：指標(biāo)數(shù)值區(qū)間為1～+∞，數(shù)值與重要性程度非線性關(guān)系。

孟靜提出采用專家評定法來判斷構(gòu)件的重要程度，即要每個專家對多種構(gòu)件兩兩比較，最后得到一個總的重要性矩陣。該方法有3個缺點：（1）主觀不確定性較大。受到認(rèn)識手段、信息資源等限制，不能保證對事物認(rèn)識的準(zhǔn)確性和確定性。（2）沒有考慮結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系和剛度分布，即使是相同類型的構(gòu)件，在空間分布的位置不同，對結(jié)構(gòu)抵抗外力所起的作用也不相同。（3）沒有考慮荷載作用屬性（分布、量值和傳力路徑）的影響。顯然在碼頭面堆載和船舶撞擊過程中，不同構(gòu)件所起的作用肯定會不同。

因此需要引入一種能同時考慮結(jié)構(gòu)本身屬性和荷載屬性的定量的結(jié)構(gòu)評估方法。葉令平提出基于廣義結(jié)構(gòu)剛度的構(gòu)件重要性評價指標(biāo)。在保守線彈性結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)=Fmaxv，其中F為作用在結(jié)構(gòu)上的荷載向量，F(xiàn)max為向量中最大值，v為荷載分布向量。荷載F作用于結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的變形能U=FTD/2=FTK-1F/2=F2maxvTK-1v，其中D為位移向量；K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣。定義廣義力為Fstru，與廣義力相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)廣義位移為Dstru，則變形能可表示為U=FstruDstru/2=F2stru/2Kstru，其中Kstru=Fstru/ Dstru為廣義結(jié)構(gòu)剛度。對比上述變形能的兩個表達(dá)式可得廣義結(jié)構(gòu)剛度Kstru=1/vTK-1v，則變形能可寫成U=F2max/2Kstru，整理得Kstru=F2

max/2U，上式表明特定荷載下的廣義結(jié)構(gòu)剛度Kstru可以通過計算該荷載在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的變形能來獲得。定義構(gòu)件的重要性評價指標(biāo)I=（Kstru,0- Kstru,f）/Kstru,0= 1-Kstru,f/ Kstru,0=1-U/Uˊ，其中Kstru,0為完整結(jié)構(gòu)的廣義結(jié)構(gòu)剛度，Kstru,f為拆除構(gòu)件結(jié)構(gòu)的廣義結(jié)構(gòu)剛度，Uˊ為拆除構(gòu)件結(jié)構(gòu)的變形能。由于Kstru,f≤Kstru,0，因此I的數(shù)值在0～1之間。0表示該構(gòu)件對結(jié)構(gòu)的廣義結(jié)構(gòu)剛度沒有貢獻(xiàn)，1表示該構(gòu)件及其重要，一旦被去除，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生無限大的變形。由此可以看出構(gòu)件的重要性評價指標(biāo)有著明確的物理意義。廣義結(jié)構(gòu)剛度不同于剛度，剛度是結(jié)構(gòu)的固有屬性，而廣義結(jié)構(gòu)剛度，即與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，又與結(jié)構(gòu)上的荷載分布有關(guān)。

廣義結(jié)構(gòu)剛度法克服了上述專家評定法的三個缺點，同時考慮了結(jié)構(gòu)屬性和荷載屬性，提供的數(shù)值也有明確的工程意義，因此值得在實際工程中推廣應(yīng)用。

三、數(shù)值模型及結(jié)果解析

本文采用廣義結(jié)構(gòu)剛度法對高樁碼頭前承臺進(jìn)行計算，得到各構(gòu)件的重要性評價指標(biāo)I，采用的高樁碼頭有4榀橫向排架，每個排架從前向后依次布設(shè)了兩根獨立直樁和一組叉樁，在樁帽上方搭設(shè)橫梁及縱梁，再在梁構(gòu)件上安裝面板。

本文采用ABAQUS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，面板、梁及基樁的材料及截面屬性均依照天津港某集裝箱碼頭構(gòu)件的實際情況得出。梁構(gòu)件與基樁之間的連接采用共節(jié)點方式，梁與面板采用綁定方式連接。荷載施加在第2榀前沿位置，方向指向碼頭岸線方向，數(shù)值為100000N。基樁下端約束了三個方向的平移自由度。首先計算完整結(jié)構(gòu)的變形能U，然后依次“拆除”各構(gòu)件，再次計算得到結(jié)構(gòu)的變形能Uiˊ，根據(jù)上述公式得到各個構(gòu)件的重要性評價指標(biāo)，見圖2。

圖2中圓點為荷載作用位置。位于面板中央的數(shù)值為面板的重要性評價指標(biāo)值，即I值；面板四周的數(shù)值為梁構(gòu)件的I值，左右兩側(cè)為橫梁，上下為縱梁I值；面板角點處為基樁的I值，其中前兩排為直樁，第三排下方為兩根叉樁。

從計算結(jié)果可以看出：

1 所有構(gòu)件的重要性評價指標(biāo)均較小，說明每個構(gòu)件都不那么重要，單個構(gòu)件失效不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太大影響，結(jié)構(gòu)魯棒性很好。

2 上部結(jié)構(gòu)，包括面板、橫梁和縱梁的值相比于基樁的要小得多，其最小值為0.0012，最大值為0.0111，平均值僅為0.0033。說明上部結(jié)構(gòu)的單個構(gòu)件對結(jié)構(gòu)抵抗水平變形的貢獻(xiàn)較小。碼頭實際運營中，即使單個構(gòu)件出現(xiàn)嚴(yán)重的破損，只需在碼頭面上對出現(xiàn)破損的位置進(jìn)行圈圍，限制流動荷載及堆載，并及時進(jìn)行維修即可，不會影響碼頭結(jié)構(gòu)正常的系泊及裝卸作業(yè)。

3 基樁的重要性評價指標(biāo)最小值為0.0547，最大值為0.0765，平均值為0.0668。基樁對結(jié)構(gòu)抵抗水平變形的貢獻(xiàn)明顯要強(qiáng)于上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件。值得注意的一個現(xiàn)象是，后排單根叉樁的重要性評價指標(biāo)要小于前排單根直樁，這與高樁碼頭結(jié)構(gòu)叉樁主要承受水平荷載的常規(guī)認(rèn)識不一致。出現(xiàn)此種情況的原因可能是跟特定荷載形式有關(guān)，如果水平荷載與碼頭前沿呈一定角度，叉樁的抵抗水平力的作用會得到更充分的發(fā)揮。

結(jié)語

結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的重要性評價是構(gòu)件安全性評價向結(jié)構(gòu)安全性評級的橋梁，

對于合理評估結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀有著重要的意義。本文采用廣義結(jié)構(gòu)剛度的概念，結(jié)合高樁碼頭的算例分析，得出了一些有意義的結(jié)論。結(jié)果還表明，構(gòu)件重要性評價指標(biāo)具有明確的物理意義，且計算較為簡單，適宜在水運工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和評估中廣泛推廣。

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[4]葉列平，林旭川，曲哲，等.基于廣義結(jié)構(gòu)剛度的構(gòu)件重要性評價方法[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2010，27（01）：1-6，20.

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