鋼管桁架-沉箱復(fù)合式碼頭在大水位差山區(qū)河流碼頭中的應(yīng)用

謝勤

摘 要：針對(duì)斜坡式碼頭裝卸效率低，傳統(tǒng)重力式碼頭又不適宜在大水位差山區(qū)河流中使用的背景，本文參考有關(guān)專家學(xué)者提出的將沿海深水管樁碼頭與傳統(tǒng)重力式碼頭相結(jié)合，即鋼管桁架-沉箱復(fù)合式碼頭。為驗(yàn)證該類(lèi)型碼頭在大水位差山區(qū)河流中使用的可能性，本文以重慶市江北區(qū)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)某實(shí)例碼頭為研究對(duì)象，建立三維有限元數(shù)值分析模型，分析了碼頭受力特性。研究結(jié)果顯示，碼頭上部鋼管桁架受力、位移特征值均滿足規(guī)范要求；下部基礎(chǔ)的抗滑、抗傾穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求；基床頂面的最大應(yīng)力也遠(yuǎn)小于工程區(qū)域地基實(shí)際承載能力，可見(jiàn)鋼管桁架—沉箱基礎(chǔ)裝配式新型碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠很好的適應(yīng)大水位差山區(qū)河流。

關(guān)鍵詞：航運(yùn)工程 復(fù)合式碼頭 大水位差山區(qū)河流 受力特性

1.前言

長(zhǎng)江上游屬于山區(qū)性河流，河流流速快，水位變幅迅速，年內(nèi)水位差變化大。隨著三峽大壩175m蓄水運(yùn)營(yíng)，變動(dòng)回去區(qū)末端最遠(yuǎn)可達(dá)到重慶江津的豬尾巴磧，整個(gè)重慶主城區(qū)都成為變動(dòng)回水區(qū)，河段具有山區(qū)河流和庫(kù)區(qū)河流的雙重特性，年內(nèi)水位差最高可達(dá)30m。為保證碼頭的正常運(yùn)營(yíng)，目前通常采用斜坡式碼頭。

由于斜坡式碼頭裝卸效率較低，目前已建的斜坡式碼頭往往不能滿足設(shè)計(jì)吞吐需求。因此，有關(guān)專家和學(xué)者考慮將沿海深水管樁碼頭引用至山區(qū)內(nèi)河河流中來(lái)，并發(fā)揮常規(guī)重力式碼頭結(jié)構(gòu)剛度大、整體穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，與常規(guī)的重力式沉箱碼頭類(lèi)型相組合，即鋼管桁架-沉箱復(fù)合式碼頭。由于該類(lèi)碼頭沿江應(yīng)用較少，還未有大規(guī)模的工程實(shí)踐，因此本文以重慶市江北區(qū)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)某實(shí)例碼頭為研究對(duì)象，建立三維有限元數(shù)值分析模型，對(duì)其結(jié)構(gòu)、荷載以及抗滑抗傾穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.工程概況

考慮到三峽水位差往往達(dá)到30m，因此本文設(shè)計(jì)兩個(gè)前沿沉箱基礎(chǔ)以及6個(gè)鋼管桁架模塊。其中，沉箱基礎(chǔ)1頂高程為182m，沉箱基礎(chǔ)2頂高程為184.5m，碼頭面層高程為206.5m。由于船舶將直接停靠在臨水側(cè)的鋼管桁架上，不另外設(shè)置靠船構(gòu)件。沉箱結(jié)構(gòu)和鋼管桁架結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖1與圖2。

3.有限元模型建立

采用ANSYS三維有限元計(jì)算軟件進(jìn)行模擬計(jì)算分析。根據(jù)實(shí)例工程的特性及相關(guān)參數(shù)，網(wǎng)格選擇矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格間距設(shè)置為5～20m，整個(gè)模型共有12856個(gè)節(jié)點(diǎn)與8266個(gè)網(wǎng)格（圖3）。

根據(jù)實(shí)例工程的建設(shè)情況，鋼材的密度取7600kg/m3，混凝土密度為2500kg /m3，鋼材的彈模為2.0×108kPa，泊松比為0.30。

同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)文件及實(shí)際計(jì)算，船舶系纜力取700kN，角度與水平線呈15°；船舶撞擊荷載取600 kN；豎向機(jī)械荷載壓載取200 kN/m。

4 數(shù)值計(jì)算及計(jì)算結(jié)果分析

4.1鋼管桁架位移計(jì)算

在最不利工況組合下，鋼管桁架所受應(yīng)力及總位移見(jiàn)圖4。分析可知：

（1）橫桿最大應(yīng)力為1379.5kN，最小應(yīng)力為—1696.1kN，最大、最小應(yīng)力比為10：1；豎桿最大應(yīng)力為531.6kN，最小應(yīng)力為-2525.1kN，最大、最小應(yīng)力比為7.1：1；斜桿最大應(yīng)力為1170.6kN，最小應(yīng)力為-2138.4kN，最大、最小應(yīng)力比為4.3：1。

（2）在最不利工況下，橫桿、豎桿、斜桿的等效應(yīng)力分別為82.5kPa、71.2 kPa以及30.1 kPa，均遠(yuǎn)小于Q235鋼材的抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值330 kPa，符合規(guī)范要求。

（3）最大位移出現(xiàn)在碼頭面層中心區(qū)域。最大位移為8.55mm，整個(gè)鋼管桁架平均位移為2.75mm。根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知，最大位移不應(yīng)大于L/600，其中L為計(jì)算跨度，取60m。可見(jiàn)最大位移遠(yuǎn)小于100mm的位移距離要求。

（4）經(jīng)分析，鋼管桁架的受力、位移特征值均滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)合理。

4.2重力式基礎(chǔ)計(jì)算

根據(jù)本工程實(shí)際條件，借助易工軟件對(duì)沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力以及抗滑、抗傾覆情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。分析可知：

（1）兩個(gè)沉箱基礎(chǔ)的抗滑、抗傾驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)合理。

（2）基床頂面的最大應(yīng)力為485.6 kPa，根據(jù)測(cè)量資料，工程區(qū)域地基承載力極限值為1529.6 kPa，可見(jiàn)工程區(qū)域地基能夠承受基床頂面的應(yīng)力，設(shè)計(jì)合理。

5.結(jié)論

本文從鋼管桁架—沉箱基礎(chǔ)裝配式新型碼頭結(jié)構(gòu)能否滿足安全使用要求的角度出發(fā)，：博上部鋼管桁架結(jié)構(gòu)與下部重力式沉箱基礎(chǔ)分開(kāi)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，上部鋼管桁架受力、位移特征值均滿足規(guī)范要求；下部基礎(chǔ)的抗滑、抗傾穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求；基床頂面的最大應(yīng)力也遠(yuǎn)小于工程區(qū)域地基實(shí)際承載能力，可見(jiàn)鋼管桁架—沉箱基礎(chǔ)裝配式新型碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠很好的適應(yīng)大水位差山區(qū)河流。

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