基于ANSYS的重力式碼頭深基槽設計探討

2017-04-24 05:49:23■覃琳

福建交通科技 2017年2期

■覃琳

（福建省交通規劃設計院，福州 350004）

■覃琳

（福建省交通規劃設計院，福州 350004）

重力式碼頭是港口工程中常用的結構型式。隨著大型重力式碼頭基床厚度的增加，基槽開挖底寬的優化設計對節約工程造價有著重要的意義。本文的研究工作基于ANSYS有限元軟件，結合工程實例，計算、分析重力式碼頭深厚基床應力擴散特性，對深基槽開挖底寬進行優化設計，以期為類似工程提供參考。

重力式碼頭深基槽基床應力擴散 ANSYS有限元軟件

1 引言

重力式碼頭在我國港口工程中被廣泛應用，其結構堅固耐用，對上部荷載和裝卸工藝變化適應性強，施工工藝成熟，后期維護費用小。隨著我國港口工程建設的快速發展，優良岸線資源越來越少，出現了不少在深基槽、厚拋石上建造的重力式碼頭。因此，深基槽開挖底寬的優化設計對節約工程造價有著重要的意義。

現行《重力式碼頭設計與施工規范》規定，拋石基床底寬（墻后有填土）不宜小于碼頭墻底寬度與2倍基床厚度之和，前趾按≥1.5d，后趾按≥0.5d（d為基床厚度，下同）。當基槽拋石較厚時，計算確定的基床底面以下的拋石體可按地基換填處理，以避免基槽因超厚基床而不合理地過度擴大底寬，增加工程費用，但規范尚未對深厚基槽下部換填基床的應力擴散特性作出明確規定。本文結合工程實例，采用ANSYS有限元軟件對深厚基床的應力擴散特性進行數值模擬分析。

2 數值模擬

2.1 工程實例

（1）碼頭結構

福州港三都澳港區城澳作業區8#、9#泊位工程建設3.5萬噸級和5萬噸級通用泊位各一個，碼頭水工結構按可靠泊15萬噸級散貨船預留。碼頭采用大型重力式沉箱結構。碼頭前沿地形起伏大，基床厚度在1.5～35m之間。當基床厚度大于5m時，基床頂面以下5m范圍內采用10～100kg拋石基床，基床以下為換填10～500kg塊石基礎，地基持力層為強風化巖或中風化巖。沉箱長×寬×高= 14.04m×15.85m×21.8m（寬度不含前、后趾，各長1.5m）。沉箱隔倉內回填10～50kg塊石。沉箱上現澆C40砼胸墻，胸墻高6.5m，頂高程為+9.0m。沉箱后側為10～100kg塊石減壓棱體。

（2）計算水位：采用極端高水位。

（3）工程地質

場地內地層結構自上而下依次為：淤泥、粉質粘土、淤泥質土、碎石、強風化花崗巖、中風化花崗巖等。地基持力層為強風化巖或中風化巖。

（4）荷載及組合

碼頭區荷載包括：結構物自重；堆貨荷載30kN/m2；40t門座式起重機；船舶荷載；波浪荷載等。

為簡化計算，本次研究荷載組合為永久荷載+堆貨荷載+門機荷載。

2.2 有限元模型的建立

將沉箱及其內部回填料作為一個整體，視為線彈性材料。由于回填料、地基土是明顯的非線性材料，沉箱后側拋石棱體、拋石基床及地基土采用ANSYS自帶的D-P

模型，模型參數如下表1所示。沉箱結構與土之間設置接觸面，模擬土與結構的相互作用。碼頭結構沿縱向較長，屬于平面應變問題，為簡化計算，采用二維模型。碼頭面施加堆貨及門機荷載。

圖2 碼頭結構有限元模型網格劃分圖

表1 有限元模型參數

2.3 基于ANSYS計算結果的優化設計

2.3.1 ANSYS數值模擬結果及分析

采用ANSYS有限元軟件對碼頭結構進行數值模擬計算，計算結果如圖3～圖5所示。

圖3 碼頭結構豎向應力云圖

在上部荷載和后側土壓力的作用下，沉箱結構基床頂面最大應力發生在前趾，約625kPa，沉箱結構整體沉降約37cm。

圖4 拋石基床豎向應力云圖

從圖4、圖5可以看出，沉箱前趾豎向應力向前快速減小，基底應力在前趾前方1.0d處的應力約為101kPa；沉箱結構正下方的豎向基底應力分布較為均勻；后趾豎向應力向后擴散至0.5d處的應力約為342kPa，往后基底應力分布較為均勻。數值模擬結果表明基床頂面應力向基床內部擴散范圍是有限的。將基底豎向應力扣除基床自重應力的影響后，可以得出上部荷載引起的基底附加應力從前趾向前至擴散1.0d處，基底附加應力已基本消散。此外，數值模擬計算結果顯示擴散后的后趾基底應力大于前趾，文獻[4]的研究結果表明，由于后方堆載土壓力對后趾基床豎向應力的影響，隨著基床深度的增加，可能出現后趾豎向應力大的情況。

由上述分析可以得出，深基床內部附加應力擴散線如圖5所示，前趾應力按1∶1向前擴散，后趾應力按1∶0.5向后擴散。

圖5 換填基槽豎向應力及基床應力擴散線示意圖

2.3.2 深基槽開挖底寬優化設計

數值模擬分析結果表明，深基槽內部應力擴散大致遵循以下規律：前趾應力按1∶1向前擴散，后趾應力按1∶0.5向后擴散。因此，深基槽開挖底寬可進行適當優化。基床頂面以下5m范圍內拋石基床前趾應力依照規范要求按1∶1.5向前擴散，5m以下換填基槽按1∶1向前擴散，后趾應力按1∶0.5向后擴散進行設計，優化前后基槽開挖底寬對比如圖6、圖7所示。優化前基槽開挖底寬64.85m，優化后開挖底寬縮小至55.5m，每延米可減少挖泥量約179m3，減少回填量約122m3，工程總造價可減少約750萬元。