新型筒型透空式碼頭結構的失穩分析

陳 宇，孫熙平，焉 振，張寶華

(1.中國民航大學 機場學院，天津 300300； 2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津 300456)

目前，沿海近岸自然條件優越的港址大部分已被開發利用，離岸深水甚至深海大型港口建設是今后我國港口工程發展的方向。然而，離岸無掩護深水碼頭結構所受波流力、船舶擠靠力等外荷載水平力較大，以及遠海環境碼頭結構施工困難等問題一直成為離岸深水碼頭建設的難題。

重力式基礎和樁基礎是碼頭結構主要的兩種基礎形式，且其經過多年的發展已成為我國近岸碼頭建設最成熟的基礎形式。這兩種基礎形式若建設在離岸深水環境中存在較多問題，如重力式碼頭結構由于迎水面較大導致其所受波流力過大影響結構整體穩定性；樁基礎形式碼頭可以有效減小波流力作用，但其在外海環境施工困難。為了適應外海惡劣的地質條件，已有研究學者開發了筒型基礎[1]，其基礎為一頂面封閉的筒體或箱體。筒型基礎可在陸地預制成型，通過氣浮整體拖運，抽負壓下沉方式插入地基，施工方便，建設周期短，特別適合于軟土地基的結構物[2-3]。

關于筒型基礎的結構設計，主要是結構使用期的整體穩定性計算[4]。武慶衛[5]分析了箱筒型基礎結構在波浪作用和地震作用下的動力響應問題，結果表明該基礎形式表現出良好的整體穩定性。肖忠等[6]根據天津港筒型基礎防波堤的結構特性，建議了此種結構穩定性分析的四種判別標準，分析了這種新型防波堤的失穩模式主要為繞基礎筒底以下某點發生轉動失穩。

為了解決離岸深水環境水平荷載力較大且施工難度大的問題，本文綜合筒型基礎和高樁碼頭結構的優點，開發一種適用于遠海環境的筒型透空式碼頭結構，然后基于LS-DYNA有限元軟件建立筒型透空式碼頭標準單元的精細化有限元模型，提出結構的失穩判別準則，探討其水平承載特性。

1 筒型透空式碼頭結構

圖1 筒型透空式碼頭標準單元Fig.1 Standard cell of the open wharf structure with bucket foundation

本文針對遠海地質和水文環境復雜的特點，以筒型基礎為碼頭結構的基礎，提出了筒型透空式碼頭結構形式。圖1所示為筒型透空式碼頭單個標準單元斷面示意圖。該碼頭結構由筒型基礎、承重柱和碼頭承臺面板組成。如圖1所示，本文所述筒型基礎橫截面為圓形，根據設計需要也可拓展為橢圓形，筒壁底部為尖角形式，減小施工過程中沉入地基的阻力；承重柱底部與筒型基礎頂板固定，上部與承臺面板固定，承重柱數量根據設計計算確定，承重柱之間形成透空形式，波流可繞過承重柱，因此波流力較小。離岸深水碼頭結構系纜墩可采用單個標準單元，碼頭工作平臺可由多個標準單元通過可靠的基礎連接組合而成。本文重點研究所提出的筒型透空式碼頭單個標準單元的承載特性。

2 結構有限元計算模型

有限元分析方法可以模擬土與結構的相互作用、土與結構的應力應變特性，已成熟應用于地基承載力和結構穩定性分析方面[7-8]?；谟邢拊治龇椒ń⑼残屯缚帐酱a頭結構與地基組成的系統彈塑性有限元模型，其基本內容包括：土體計算域的選取及其邊界條件、結構及土體本構模型、土體與結構接觸面模擬。

2.1 土體計算域的選取及邊界條件

土體計算域的選取按文獻[7]的方法在垂直筒型透空式碼頭結構基礎的軸線方向，向兩側各取結構水平尺寸的5倍，筒底以下土體深度取基礎筒長的3倍。計算土域的邊界條件如下：地基表面為自由邊界，底面為固定邊界，土體側面為側限邊界。

2.2 結構和土體本構模型

碼頭結構由鋼筋混凝土材料或鋼材制成，結構強度和剛度遠遠大于土體強度和剛度，結構失穩破壞主要為地基土體的破壞，研究中主要分析筒體基礎的破壞模式，故在有限元分析中碼頭結構的筒型基礎和承重柱均采用彈性模型，在LS-DYNA中采用*MAT_ELASTIC模型[9]。同時考慮到結構各部分連接牢固，有限元分析中對其進行整體建模。地基土體采用LS-DYNA軟件中的*MAT_MOHR_COULOMB模型[10]，該模型可以較好地描述巖土材料的強度特性和破壞行為，模型中需輸入土體參數粘聚力c和內摩擦角φ值，其值可以通過各種不同的常規試驗測定。

在碼頭結構建立的三維彈塑性有限元模型中，為了模擬基礎和土體之間的相互作用，土體和基礎均采用精細化有限元模型，建模過程中土體和基礎均采用八節點常應力實體單元。碼頭結構中的承重柱采用梁單元，其碼頭面荷載等效為豎向均布荷載。

2.3 土體與結構接觸面模擬

為了模擬土體與碼頭結構基礎間的相互作用，在結構與土體相接觸的區域建立主從接觸面[6]，以考慮荷載作用下結構與周圍土體間的粘結、滑移、脫離現象。同時考慮到結構的彈性模量遠大于土體的彈性模量，所以指定結構上的接觸面為主接觸面，土體上的接觸面為從接觸面，在LS-DYNA中采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE可以實現。

3 水平荷載作用下結構失穩分析方法

3.1 水平荷載作用下的結構失穩分析步驟

圖2 荷載-位移關系曲線Fig.2 Load-displacement curve

采用有限元方法進行荷載作用下筒型透空式碼頭結構失穩分析的步驟如下：(1)建立有限元分析模型；(2)在碼頭結構頂部以位移控制方法加載水平荷載，用以模擬系纜力的作用，提取有限元分析模型計算基礎頂部的位移和對應的結構反力，并逐步加載直至結構完全失穩；(3)繪制力-位移關系曲線；(4)依據結構的力-位移關系曲線確定結構的失穩判別標準；(5)根據結構的失穩判別標準，確定結構失穩時對應的荷載，該荷載定義為結構的水平極限承載力。

3.2 結構失穩判別標準

根據結構的荷載-位移關系曲線，將結構的失穩過程分為三個階段(圖2)。

(1)彈性階段。在水平力不是很大的情況下，大部分土體處于彈性狀態，荷載-位移曲線大體呈線性關系。

圖3 筒型透空式碼頭結構分析模型(單位：m)Fig.3 Analytical model of the open wharf structure with bucket foundation (unit: m)

(2)塑性發展階段。當作用的水平力繼續增大，土體逐漸進入屈服階段，土體的塑性區逐漸擴展。

(3)失穩階段。當水平荷載超過最大水平承載力時，塑性區進一步擴展，位移增加幅度變快，荷載-位移曲線出現較明顯拐點，結構處于傾覆失穩階段。

4 筒型透空式碼頭水平承載特性分析

4.1 分析模型

表1 土層參數Tab.1 Soil parameters

為了分析所提出的筒型透空式碼頭結構的水平承載特性。依托某遠海碼頭工程，設計了所提出碼頭結構的標準單元，其結構分析模型的斷面圖如圖3所示。該碼頭標準單元由1個筒型基礎、4根承重柱和承臺面組成。筒型基礎尺寸：筒長10.0 m，半徑4.0 m，壁厚0.5 m、頂板厚1.0 m。承重柱尺寸：長20.0 m，直徑2.5 m。承臺面尺寸：長、寬、厚度分別為6 m、6 m、0.5 m。該碼頭結構由鋼筋混凝土制成，鋼筋混凝土密度為25 kN/m3，因此承臺面分配給4跟承重柱的豎向荷載為112.5 kN。承重柱和筒型基礎均采用彈性模型，其彈性模量取3.0×104N/mm2。設計采用的工程地質剖面由上至下分為4層，依次為淤泥層、粉質黏土、粉土層和粉砂層，土層主要性能參數見表1所示。

圖4 筒型透空式碼頭結構有限元模型Fig.4 Finite element model of the open wharf structure with bucket foundation圖5 有限元模型的剖面圖Fig.5 Cross-section of the finite element model

4.2 水平承載特性

按第3節的方法建立筒型透空式碼頭結構的有限元模型，如圖4和圖5所示。在所建立的碼頭結構有限元模型的頂部施加水平位移荷載，獲得結構的力-位移關系曲線；提取不同深度土體的土壓力，分析土壓力隨深度的變化情況；分析筒型透空式碼頭和地基土體組成系統在水平荷載作用下的承載特性和破壞模式。

圖6 筒型基礎的力-位移曲線Fig.6 Force-displacement curve of the bucket foundation

圖6給出了筒型透空式碼頭筒型基礎的力-位移關系曲線。從圖中可以看出，水平位移在0～32 mm之間，結構處于彈性階段，當位移達到32 mm時，結構地基達到水平屈服承載力，其值為2 973 kN；然后隨著位移增大，結構地基反力增長趨緩，結構地基處于塑性發展階段；當位移達到110 mm時，結構地基達到極限承載力，其值為4 096 kN；最后，隨著位移增大，地基承載力降低，結構地基處于失穩階段。

圖7給出了筒型透空式碼頭式結構筒型基礎的破壞模式。從圖中可以看出，在水平荷載作用下筒體底部出現橫向剪切破壞，受壓側土體在筒底部沿45°發生斜向向上剪切破壞，在筒體頂部沿45°發生斜向向下剪切破壞，其受壓側土體形成楔形剪切破壞面，結構發生水平位移的同時發生整體轉動。

圖7 筒型基礎的破壞模式Fig.7 Failure mode of the bucket foundation

圖8 屈服位移32 mm對應不同土層深度的受壓側土體土壓力Fig.8 Soil side pressure in various depths under yield displacement (32 mm)圖9 極限位移110 mm對應不同土層深度的受壓側土體土壓力Fig.9 Soil side pressure in various depths under ultimate displacement (110 mm)

圖10 不同筒長的筒型基礎力-位移曲線Fig.10 Force-displacement curve of the bucket foundation with different length

圖8給出了結構基礎達到水平屈服位移32 mm時不同深度處基礎受壓側土體的土壓力。從圖中可以看出，隨著土層深度的增加，土壓力隨之增大，符合庫倫被動土壓力的分布規律。圖9給出了當結構地基達到極限位移110 mm時不同深度處基礎受壓側土體的土壓力，從圖中可以看出，隨著土層深度的增加，土壓力先增大后減小，這是由于隨著水平荷載增大，筒體發生整體轉動，導致土壓力隨深度分布發生變化，由于筒體轉動的原因導致下部土體土壓力較中部土體小，因此出現中部土體土壓力最大的情況出現。

4.3 筒長的影響

為了分析筒長對筒型基礎承載力的影響，改變圖3中筒長的大小，分別取10.0 m、12.5 m和15.0 m，其他尺寸與4.1節相同。圖10給出了不同筒長的筒型基礎的力-位移曲線。從圖中可以看出，筒長為10.0 m、12.5 m和15.0 m，其水平屈服位移分別為32 mm、33 mm和34 mm，水平極限位移分別為110 mm、97 mm和91 mm，以筒長10.0 m為基準，筒長為12.5 m和15.0 m的水平屈服位移分別增大3.1%和6.3%，極限位移分別減小11.8%和17.3%。表明隨著筒長的增加，其水平屈服位移有增大趨勢，極限位移有減小的趨勢。同時從圖中可以看出，筒長為10.0 m的結構地基的水平屈服承載力為2 973 kN，極限承載力為4 098 kN；筒長為12.5 m的結構地基的水平屈服承載力為4 494 kN，極限承載力為6 406 kN；筒長為15.0 m的結構地基的水平屈服承載力為5 655 kN，極限承載力為7 671 kN；以筒長10.0 m為基準，筒長為12.5 m和15.0 m的水平屈服承載力分別提高51.2%和90%，極限承載力分別提高42.5%和89%。因此，增加筒長可明顯提高結構地基的水平承載力，相對而言對結構地基的水平屈服位移和極限位移影響較小。

5 結論

(1)針對離岸深水環境特點，結合筒型基礎和高樁碼頭優勢，本文提出了筒型透空式碼頭結構型式。

(2)根據筒型透空式碼頭結構特點，提出了碼頭結構的水平失穩判別標準，將筒型基礎在水平荷載作用下的失穩過程分為三個階段，即彈性階段、塑性發展階段和失穩階段。

(3)建立了筒型透空式碼頭結構三維彈塑性有限元模型，研究表明筒型基礎周圍土體在水平荷載作用下發生楔形破壞模式，增加筒長可顯著增加基礎的水平屈服承載力和極限承載力，但對基礎的水平屈服位移和極限位移影響較小。