基于有限元法的重力式碼頭前沿穩定性分析

趙冬冬

【摘 要】傳統的重力式碼頭前沿穩定性計算主要采用《重力式碼頭設計與施工規范》中的極限平衡法計算。論文通過分析重力式碼頭基礎構造，采取有限單元法來對重力式碼頭進行了自身穩定性的結果分析，表明有限元在重力式碼頭前沿穩定性分析問題是可行的。

【Abstract】 The traditional gravity terminal stability calculation is mainly calculated by the limit equilibrium method in "Code for Fesign and Construction of Gravity Wharf". In this paper， the finite element method is used to analyze the stability of the gravity wharf. It is proved that the finite element method is feasible in the stability analysis of gravity terminal.

【關鍵詞】重力式碼頭；穩定性；有限元法

【Keywords】gravity wharf； stability； finite element method

【中圖分類號】U226 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0189-02

1 引言

重力式碼頭主要依靠自身重量和其上部的填料的重量來抵抗后方產生的土壓力，防止建筑物的滑動和傾覆。隨著國家貨運量的增大，重力式碼頭前水深要求不斷加深，碼頭結構增大，對地質要求也越來越高，但現實中大多數海岸地質往往存在軟弱夾層、破碎帶等不良地質現象，因此對重力式碼頭結構形式和基礎處理方式的選擇，不僅關系到設計施工的難度，同樣影響到建設費用投資和后期碼頭的發展。另外碼頭在運營管理過程中，了解碼頭能承擔多大的超載荷載及這些荷載需要距離碼頭前沿多遠的距離的參數，對碼頭是否能夠安全的運營是非常有必要的。[1]

傳統重力式碼頭設計及后期荷載穩定的驗算采用極限承載力方法完成，碼頭岸坡穩定安全系數需要通過多次的試算，同時無法事前知道滑動免得位置，要利用多種滑移邊坡條件繪制滑移面和安全系數的曲線來查找。同時極限承載力采用一種理想的假設，無法考慮應變對應力的影響，為保證結構安全，往往計算偏于保守。為能夠更加精準的得到重力式碼頭穩定數據，本文提議可以采用建立有限元模型計算的方法。有限元可以對不同的介質進行節點分解，考慮了各節點應力應變的關系，同時有限元計算適應任何形狀結構，建立相關的有限元模型，利用有限元軟件強大的處理功能，能夠計算包括沉箱結構慣性力標準值、動水壓力標準值、加速度系數分布曲線，抗傾和抗滑穩定驗算等，使得重力式碼頭穩定性的計算變得準確化、簡單化、智能化。[2]

2 重力式碼頭滑動的原因

由于重力式碼頭是依靠重力式抵抗后方土壓力或是上部荷載傳遞的土壓力，當上部荷載距離碼頭前沿距離過近，且該荷載傳遞給碼頭后方的土壓力，形成后方土體對前方碼頭擠壓力超過結構自重的抗力時，碼頭產生向外傾斜或滑移。

3 有限元法的基本原理

有限元法的原理就是將一個連續體結構離散成有限個單元體，這些單元體在節點處相互鉸結，把荷載簡化到節點上，采用基礎力學和特定的物理結構去構造相對應的方程組，方程組是由位移跟力的關系來組建的。然后對這個非線性方程組采用增量法、迭代法及混合法進行求解之后，求出各項所的值。有限元節點的位移作為基礎的變量，當單元劃分得足夠密時，它與真實解是接近的。有限元有一個很突出的優點就是它使用了我們熟知的數學上的矩陣理論。有限單元的原理示意圖如下圖2所示。[3，4]

4 重力式碼頭穩定性計算例子

重力式A碼頭后方設置一個沉箱預制場 ，預制沉箱重約450噸，利用330噸臺車運輸至碼頭前沿，臺車出運沉箱時輪壓78Kpa/m2，但碼頭前沿設計壓力為30 Kpa/m2，600t起重船駐位在碼頭外吊裝450噸沉箱需要沉箱移至A碼頭前沿30m范圍內，需要核算A碼頭上部荷載加大時，能否安全穩定。

荷載作用采用持久組合：（不同水位）結構均載+（不同水位）土壓力荷載+臺車輪壓均載。

取兩個沉箱位建立有限元模型，上面為胸墻，后方拋石棱體及回填沙土。對于基礎邊界條件設置，深度超過拋石基床，進入天然地基內5m，沉箱及胸墻和兩側結構段邊界條件考慮到沉降縫的存在，設定自由約束，后方棱體等設定為對稱約束，地基四周及底部采用固定約束 ，采用 ANSYS 有限元軟件進行模擬計算，得出作用在沉箱碼頭底部的作用力和沉箱前趾部位抗傾覆力矩。

根據計算結果滿足以上兩個公式，臺車運輸沉箱時可以移運至前沿30m范圍內，安全符合規范要求。[5，6]

5 結論

通過重力式碼頭滑移原理和有限性計算原理分析，結合實際重力式碼頭穩定性計算和實際實踐，有限元法能夠用來計算重力式碼頭穩定性，與傳統的規范計算方法相比，有限元法在重力式碼頭穩定性計算過程更簡便 、計算結果也更精確。

【參考文獻】

【1】周早生，錢七虎，朱大勇.土體主動滑動場及主動土壓力的計算[J].計算力學學報， 2001（21）：150-152.

【2】JTS 167-2-2009 重力式碼頭設計與施工規范[J].中小企業管理與科技，2016（11）：47-49.

【3】劉坤. ANSYS有限元方法精解[M].北京：國防工業出版社， 2005.

【4】朱柏芳. 有限單元法原理與應用[M].北京：中國水利水電出版社， 2000.

【5】孫熙平，吉訓明，張桂平.有限元法在重力式碼頭安全評估中的應用研究[J]. 水道港口. 2012（2）：67-70.

【6】魯建霞，茍慧芳.有限元法的基本思想與發展過程[J]. 機械管理開發，2009（24）：17-19.