某人工島碼頭系船柱基礎(chǔ)安全性分析

張 干

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

通過統(tǒng)計(jì)對(duì)某人工島三個(gè)登陸點(diǎn)碼頭系船柱現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況可知，系船柱所在基礎(chǔ)面層均出現(xiàn)了裂縫，為了分析所檢測(cè)裂縫是否屬于受力裂縫，并了解系船柱基礎(chǔ)是否滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度，為指導(dǎo)后續(xù)的系船柱面層混凝土裂縫的維修方案，采用有限元軟件進(jìn)行模擬分析，混凝土即采用常用的K&C模型來模擬,系纜柱采用彈性模型。在設(shè)計(jì)系纜力(250 kN)作用下系船柱基礎(chǔ)的力學(xué)性能。

1 模型選擇

系纜柱和墩臺(tái)均采用實(shí)體單元模擬，該實(shí)體可用于不含鋼筋或含鋼筋的三維實(shí)體模型。在混凝土的應(yīng)用方面，可以用單元的實(shí)體性能來模擬混凝土，而用加筋性能來模擬鋼筋的作用；該單元具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，即X軸、Y軸、Z軸3個(gè)方向的線位移；該單元另外一個(gè)很重要的特點(diǎn)在于其對(duì)材料非線性的處理，可模擬混凝土的開裂、壓碎、塑性變形及徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變；同時(shí)在考慮混凝土的壓碎與開裂時(shí)，應(yīng)當(dāng)較為緩慢地施加荷載，以避免在實(shí)際可承受荷載通過閉合裂縫傳遞前出現(xiàn)混凝土的假壓碎現(xiàn)象[1]。對(duì)于沖擊作用下混凝土力學(xué)行為的模擬，K&C混凝土損傷模型是最常被使用的模型之一[2]，因此本次混凝土即采用常用的K&C模型來模擬。系纜柱采用彈性模型。

2 模型的建立

應(yīng)用有限元軟件，建立系纜柱及基礎(chǔ)墩臺(tái)的有限元模型,模型包括混凝土墩臺(tái)和系纜柱。該系纜墩模型中的墩臺(tái)長、寬和高均為3.7 m，其中保護(hù)層混凝土厚度為12 mm，250 kN系纜柱直徑為320 mm。系纜柱和墩臺(tái)均采用實(shí)體單元模擬，混凝土采用K&C模型，系纜柱采用彈性模型。系纜柱和墩臺(tái)間采用共節(jié)點(diǎn)的方式模擬，其系纜柱和基礎(chǔ)墩臺(tái)的有限元模型如圖1所示。

3 分析結(jié)果

為了研究在設(shè)計(jì)系纜力250 kN作用下系纜柱基礎(chǔ)的受力狀態(tài)，分別分析系纜力作用與水平方向成0°和45°斜向上兩種工況下系纜柱基礎(chǔ)的應(yīng)力狀態(tài)。假定250 kN系纜力在1 s內(nèi)作用完成，在系纜力與水平夾角為0°時(shí)，系纜柱基礎(chǔ)墩臺(tái)混凝土第一主應(yīng)力云圖如圖2所示，從圖2中可以看出混凝土在系纜墩基礎(chǔ)與墩臺(tái)交界處應(yīng)力最大。提取交界處不同單元混凝土的應(yīng)力時(shí)程曲線，可知該工況下系纜力最大值為2.24 MPa，不大于系船柱基礎(chǔ)混凝土(設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39 MPa，因此在此工況下系纜力基礎(chǔ)不會(huì)因系纜力作用產(chǎn)生裂縫。

在系纜力與水平夾角為45°時(shí)，系纜柱基礎(chǔ)墩臺(tái)混凝土第一主應(yīng)力云圖如圖3所示，從圖3中可以看出混凝土在系纜墩基礎(chǔ)與墩臺(tái)交界處應(yīng)力最大。提取交界處不同單元混凝土的應(yīng)力時(shí)程曲線，可知該工況下系纜力最大值為1.79 MPa，不大于系船柱基礎(chǔ)混凝土(設(shè)計(jì)強(qiáng)度C40)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39 MPa，因此在此工況下系纜力基礎(chǔ)不會(huì)因系纜力作用產(chǎn)生裂縫。

4 結(jié)語

1)經(jīng)數(shù)值分析結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)系纜力(250 kN)作用下碼頭系纜柱基礎(chǔ)不會(huì)發(fā)生裂縫，設(shè)計(jì)的系纜柱基礎(chǔ)滿足結(jié)構(gòu)安全性的要求，當(dāng)前系船柱周圍裂縫為非受力裂縫。

2)數(shù)值分析的結(jié)果可為碼頭系船柱安全性評(píng)估提供理論依據(jù)，并可為后續(xù)的系纜柱裂縫維修提供參考。