三峽庫(kù)區(qū)散貨碼頭升級(jí)擴(kuò)建工程受力特性研究★

余 葵，張 鑫，劉憲慶，戴一鋒，吳威力

(1.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué) 重慶市橋梁通航安全與防撞工程技術(shù)研究中心，重慶 400074； 3.重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074)

水路是“打不爛、炸不斷”的生命運(yùn)輸線，新時(shí)代要求水運(yùn)進(jìn)一步提升服務(wù)保障能力，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》，要求建立防范化解安全風(fēng)險(xiǎn)的長(zhǎng)效機(jī)制，健全安全管理責(zé)任體系。三峽庫(kù)區(qū)具有運(yùn)輸成本低、運(yùn)量大、覆蓋廣的優(yōu)勢(shì)，隨著西部陸海新通道建設(shè)的推進(jìn)，載貨能力進(jìn)一步提升，船舶大型化發(fā)展，碼頭貨物吞吐量逐年增加，碼頭設(shè)施向大型化、專業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展，既有散貨碼頭裝卸工藝已不能滿足吞吐需求，亟需進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)建[1]。對(duì)碼頭升級(jí)擴(kuò)建工程中傳送系統(tǒng)及地基受力特性變化規(guī)律進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，確保碼頭運(yùn)營(yíng)安全，提高安全生產(chǎn)保障能力，具有重要的研究?jī)r(jià)值[2]。

既有散貨碼頭裝卸工藝已不能滿足吞吐需求，亟需進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)建。皮帶機(jī)朝著大運(yùn)量、長(zhǎng)距離、高運(yùn)速的方向發(fā)展，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)輸高效平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在內(nèi)河散貨碼頭裝卸作業(yè)中廣泛應(yīng)用[3-5]。皮帶機(jī)負(fù)荷運(yùn)作時(shí)，結(jié)構(gòu)受力及變形不滿足要求將導(dǎo)致垮塌事故。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碼頭受力特性做了相應(yīng)研究，Liu Xia通過(guò)建立帶式輸送機(jī)桁架有限元模型，分析不同荷載組合條件下主筋應(yīng)力及位移[6]。Meng Limin等在對(duì)托輥進(jìn)行有限元分析，提出了一種基于驅(qū)動(dòng)輥理論荷載值擬合公式的加載方法[7]。Zhang Mingyuan等對(duì)三角支撐建立三維立體模型，分析應(yīng)力及位移，并優(yōu)化三角支撐[8]。針對(duì)地基不均勻沉降和變形問(wèn)題，采用皮帶機(jī)與棧橋結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，多種地基穩(wěn)定驗(yàn)算方法等[9-10]。

為滿足碼頭所需貨物吞吐量市場(chǎng)需求，三峽庫(kù)區(qū)某散貨碼頭通過(guò)能力由30萬(wàn)t提升到200萬(wàn)t，傳送系統(tǒng)荷載增加，引起碼頭整體結(jié)構(gòu)及地基受力特性變化。現(xiàn)有針對(duì)荷載改變引起碼頭整體結(jié)構(gòu)受力特性的研究較少，本文分別建立皮帶機(jī)、支架、碼頭整體結(jié)構(gòu)受力模型，研究風(fēng)荷載及重力荷載作用下結(jié)構(gòu)受力及地基承載力特性變化規(guī)律并進(jìn)行復(fù)核，為碼頭裝卸安全和有效運(yùn)行提供參考，所得成果對(duì)同類碼頭升級(jí)擴(kuò)建具有一定的借鑒價(jià)值。

1 荷載計(jì)算

散貨碼頭貨物吞吐量逐年增加，為了提高通過(guò)能力，采用皮帶機(jī)裝卸工藝對(duì)原散貨碼頭進(jìn)行升級(jí)改造。本文依托三峽庫(kù)區(qū)某散貨碼頭改擴(kuò)建工程，傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表

作用在皮帶機(jī)支腿上的荷載包括：運(yùn)輸貨物及皮帶的自重和作用于皮帶機(jī)上的風(fēng)荷載。帶式輸送機(jī)每米輸送碎石質(zhì)量計(jì)算如下[11]：

(1)

其中，qG為每米輸送碎石質(zhì)量；Iv為輸送效率；ρ為碎石密度；v為輸送速度。

經(jīng)計(jì)算得qG=166.7 kg。

考慮皮帶機(jī)鋼結(jié)構(gòu)每個(gè)支腿沿長(zhǎng)度方向的受力范圍為0.75 m，構(gòu)件計(jì)算時(shí)的散貨荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，固定設(shè)備重力分項(xiàng)系數(shù)取1.2[12]。則考慮作用長(zhǎng)度及分項(xiàng)系數(shù)的單個(gè)支腿外力作業(yè)荷載為：

(1.5×166.7×10+1.2×

24.7×1.2×0.75×10)/4=691.8 N。

作用在港口工程結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按式(2)計(jì)算：

WK=μsμzW0

(2)

(3)

其中，V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，取24.4 m/s；W0為基本風(fēng)壓，計(jì)算得0.372 kPa；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取1；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.254。

經(jīng)計(jì)算，WK=0.466 kPa,則考慮風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4時(shí)的風(fēng)荷載為652.4 Pa。

2 建立有限元模型

技改裝卸工藝：在增長(zhǎng)皮帶機(jī)的同時(shí)增設(shè)了臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)料斗，以提高散貨泊位的裝卸效率，流程為：自卸汽車→臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)料斗→連接段皮帶機(jī)→料斗→裝船皮帶機(jī)→貨船。裝卸工藝及部分實(shí)景圖見(jiàn)圖1。

2.1 皮帶機(jī)框架有限元模型

皮帶機(jī)框架尺寸見(jiàn)圖1，采用ABAQUS有限元軟件建立模型，材料模型采用理想彈塑性模型，用B31單元進(jìn)行模擬。鋼材參數(shù)為：彈性模量E=206 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345 MPa。

建立皮帶機(jī)框架有限元分析模型及網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖2。為真實(shí)還原實(shí)際受力情況，模型在前端鋼板位置施加固定約束，在皮帶機(jī)框架與鋼絞線連接的第2-3跨中、第5跨、第8-9跨中、第11跨、第13-14跨中、第16跨、第18-19跨中、第21跨、第23-24跨中、第26跨、第28-29跨中及第31-32跨中的上弦節(jié)點(diǎn)施加X(jué)向、Y向以及繞Z軸旋轉(zhuǎn)方向的約束。

結(jié)構(gòu)為空間桁架結(jié)構(gòu)，所施加的荷載主要包括結(jié)構(gòu)的重力荷載、輸送碎石質(zhì)量、輸送帶的自重以及風(fēng)荷載。按照規(guī)范計(jì)算的支點(diǎn)Y方向的荷載為-1 383.6 N，X方向的均布風(fēng)荷載為652.4 N/m2，在每個(gè)支點(diǎn)上按照長(zhǎng)度和受風(fēng)面積施加等效集中荷載。

2.2 支架有限元模型

支架由承拉構(gòu)件和支架框架組成，Solidworks整體效果圖及支架尺寸見(jiàn)圖3。

2.2.1 承拉構(gòu)件有限元模型

建立承拉構(gòu)件邊界條件及荷載的施加方式和網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4，材料模型采用理想彈塑性模型，單元采用C3D10進(jìn)行模擬。以下部孔的圓心為圓心，每隔10°布置，共計(jì)布置12個(gè)上部孔，下部孔的直徑為219 mm，上部孔的直徑為40 mm。采用耦合約束形式對(duì)下部孔施加固定約束；多點(diǎn)關(guān)聯(lián)約束形式對(duì)上部孔進(jìn)行約束及加載，通過(guò)提取皮帶機(jī)框架與鋼絞線連接節(jié)點(diǎn)處荷載，上部孔從下到上依次加載X，Y方向的作用力。

2.2.2 支架框架有限元模型

建立支架框架邊界條件及荷載的施加方式和網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖5，采用理想彈塑性模型，單元采用B31進(jìn)行模擬。在結(jié)構(gòu)的底部節(jié)點(diǎn)位置施加固定約束，頂部節(jié)點(diǎn)施加X(jué)方向約束。通過(guò)提取承拉構(gòu)件下部孔在皮帶機(jī)荷載和風(fēng)荷載作用下的荷載，左側(cè)荷載為：Fx=-399 267 N，F(xiàn)y=-127 495 N；右側(cè)荷載為：Fx=397 482 N，F(xiàn)y=-126 965 N，荷載施加在左、右承拉構(gòu)件的位置，荷載分布較為對(duì)稱。

3 輸送系統(tǒng)受力特性分析

3.1 皮帶機(jī)框架受力特性分析

圖6分別給出了皮帶機(jī)框架在風(fēng)荷載和皮帶機(jī)荷載作用下的Mises應(yīng)力結(jié)果及在各個(gè)方向上的變形。

皮帶機(jī)框架的最大Mises應(yīng)力為68.77 MPa，出現(xiàn)在后端支座處位置，小于Q345B鋼材的許用應(yīng)力230 MPa，材料強(qiáng)度整體滿足要求；在X，Y，Z方向的最大位移分別為：0.717 mm，3.435 mm和13.52 mm，出現(xiàn)在皮帶機(jī)后端、前端和前端位置，位移滿足使用要求。

3.2 支架受力特性分析

3.2.1 承拉構(gòu)件受力特性分析

左側(cè)承拉構(gòu)件的Mises應(yīng)力及位移均小于右側(cè)，圖7分別給出了右側(cè)承拉構(gòu)件在皮帶機(jī)荷載和風(fēng)荷載作用下的Mises應(yīng)力結(jié)果以及在各個(gè)方向上的變形。

承拉構(gòu)件的最大Mises應(yīng)力為202.3 MPa，出現(xiàn)在下部孔的位置，小于所用鋼材的屈服強(qiáng)度，材料強(qiáng)度整體滿足要求；在X，Y，Z方向的最大位移分別為：0.331 mm，0.299 mm，0.003 mm，位移滿足使用要求。

3.2.2 支架框架受力特性分析

圖8分別給出了支架整體結(jié)構(gòu)在皮帶機(jī)荷載和風(fēng)荷載作用下的Mises應(yīng)力結(jié)果以及在各個(gè)方向上的變形。

結(jié)構(gòu)的最大Mises應(yīng)力為35.29 MPa，小于所用鋼材的許用應(yīng)力，材料強(qiáng)度整體滿足要求；在X，Y，Z方向的最大位移分別為：0.994 mm，0.744 mm和0.591 mm，位移滿足使用要求。

4 碼頭整體結(jié)構(gòu)受力特性分析

根據(jù)水位漲落，需對(duì)原裝卸平臺(tái)進(jìn)行加高，按照實(shí)際地形圖建立碼頭整體結(jié)構(gòu)模型，高度為33.3 m，寬度為48.0 m，整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。依據(jù)《地質(zhì)勘察報(bào)告》，所用混凝土材料為C15和C25，碎石土、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r和中風(fēng)化泥灰?guī)r的物理及力學(xué)參數(shù)如表2所示，無(wú)不良地質(zhì)作用。

表2 碼頭整體結(jié)構(gòu)模型參數(shù)表

根據(jù)土層厚度劃分網(wǎng)格，在滿足計(jì)算精度要求的同時(shí)達(dá)到不浪費(fèi)資源的目的，按照平面問(wèn)題所建立的邊界條件及荷載的施加方式和網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖10。平臺(tái)與土體間采用Tie約束，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.4。在結(jié)構(gòu)的底部邊界和左側(cè)邊界施加豎向、水平約束。提取支架在皮帶機(jī)荷載和風(fēng)荷載作用下底部所受到的豎向荷載，合力為-266 560 N，通過(guò)托輥?zhàn)饔迷诨瑒?dòng)軌道上，托輥通過(guò)設(shè)置剛體和參考點(diǎn)的形式施加266 560 N豎直向下的作用力。后方錨定結(jié)構(gòu)用鋼絞線，角度約為32°，所受到的拉力在極限工況下為497 864 N。考慮到碼頭運(yùn)營(yíng)時(shí)存在活荷載，在工作結(jié)構(gòu)面上施加壓應(yīng)力來(lái)模擬[13]。各層土體應(yīng)力見(jiàn)圖11。

碎石土層的豎向受壓應(yīng)力最大值為261 kPa，出現(xiàn)在平臺(tái)前沿，大于《地質(zhì)勘察報(bào)告》中的建議值150 kPa，地基承載力不能夠滿足承載要求，需采取地基加固或打樁等措施，使地基承載能力滿足要求；強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r和中風(fēng)化泥灰?guī)r的豎向應(yīng)力分別為277.4 kPa和560.7 kPa，小于其豎向承載力建議值500 kPa和6 480 kPa，承載力整體滿足要求。

土體和平臺(tái)組成的整體結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)變見(jiàn)圖12。整體結(jié)構(gòu)豎向的最大位移為8.279 mm，出現(xiàn)在遠(yuǎn)岸平臺(tái)與碎石土層交界處，位移滿足要求。

5 結(jié)論及建議

1)本升級(jí)擴(kuò)建工程皮帶機(jī)、支架結(jié)構(gòu)能夠滿足應(yīng)力及變形的要求，改造后碼頭通過(guò)能力進(jìn)一步提高，滿足三峽庫(kù)區(qū)某散貨碼頭吞吐需求，實(shí)現(xiàn)裝卸工藝改造升級(jí)后安全適用、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的目標(biāo)，適應(yīng)航運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)。

2)碎石土層的豎向受壓應(yīng)力大于《地質(zhì)勘察報(bào)告》建議值，地基承載力不能夠滿足承載要求，需采取地基加固或打樁等措施，使地基承載能力滿足要求；強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r、中風(fēng)化泥灰?guī)r的承載力和變形滿足要求。

3)采用皮帶機(jī)工藝對(duì)散貨碼頭升級(jí)改造，在內(nèi)河散貨碼頭裝卸作業(yè)中廣泛應(yīng)用。采用ABAQUS建立模型，分析傳送系統(tǒng)和碼頭地基受力特性具有普遍適應(yīng)性，對(duì)同類碼頭升級(jí)擴(kuò)建、保障裝卸安全有一定的借鑒意義。