大水位差高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

諸云鵬，李唯一，陳達，歐陽峰，湯益佳

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

直立式高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)能夠很好地適應大水位差、大水深條件，同時結(jié)構(gòu)安全可靠，整體性好。但由于其存在框架結(jié)構(gòu)復雜，縱、橫聯(lián)系撐較多，樁基布置密集，經(jīng)濟性較差等問題，限制了其在內(nèi)河航道的推廣應用，故需要對它的結(jié)構(gòu)型式、受力特性、經(jīng)濟性等方面進行深入研究。

王多垠等[1]通過對已建內(nèi)河直立式框架碼頭存在問題開展研究，提出粗樁大跨架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)型式的設計理念，即通過增加碼頭排架間距，加大樁徑的方式來使碼頭受力更加明確，減少工程量，為庫區(qū)碼頭建設提供良好的技術(shù)支撐。周澤祥[2]提出帶主斜撐排架與空間三角框架墩相結(jié)合的內(nèi)河高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)型式。沈倩[3]研究大水位差高樁框架式全直樁碼頭設計優(yōu)化，比較了不同系纜層、不同排架數(shù)量、不同平臺設計寬度對結(jié)構(gòu)水平力的影響。

本文以云南省東川港格勒旅游中心碼頭工程為例，通過有限元軟件Ansys 計算，定量分析框架層數(shù)的改變對碼頭變形和應力的影響，達到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，為大水位差碼頭建設提供技術(shù)指導和支撐。

1 工程概況

1.1 工程概況

工程位于云南省昆明市東川區(qū)小江與金沙江的交匯口。碼頭采用高樁框架結(jié)構(gòu)，尺寸為161.4 m×96.4 m×32 m，中間段碼頭縱向布置6 跨，橫向布置11 跨，碼頭頂面高程為827.50 m，具體碼頭結(jié)構(gòu)及尺寸見圖1。水位較高時船舶?？吭谛〗瓊?cè)；水位較低時船舶?？吭诮鹕辰瓊?cè)。本文選取該工程典型分段，重點分析該段受自重、平臺荷載、船舶撞擊力等荷載條件時在最不利荷載組合下的受力特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖1 碼頭設計斷面圖

1.2 荷載情況

碼頭主要荷載類型及大小見表1。

表1 荷載類型及大小

2 有限元模型建立

根據(jù)工程方案，利用Ansys 建立碼頭中間段三維有限元模型見圖2，模型中樁基和主體框架均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中存在著鋼筋和混凝土兩種不同彈性模量的材料，故參數(shù)均采用等效復合參數(shù)[4]?；炷翉姸鹊燃墳镃30。為減少邊界效應影響，土體計算模型邊界范圍設置為：285 m×174 m×53 m。這些模型均采用實體Solid187 單元類型，共包括144087 個單元，307462 個節(jié)點。

圖2 原設計方案三維模型

本工程樁基為端承樁，不考慮樁基的側(cè)向摩擦，樁土接觸設置為面-面接觸，構(gòu)件單元接觸面間施加綁定約束。模型中主體框架等混凝土結(jié)構(gòu)均按各向同性彈性材料考慮，鋼筋混凝土材料密度為2500 kg/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.167。

按照《高樁碼頭設計與施工規(guī)范》（JTS 167-1-2010）[5]進行作用效應組合確定最不利工況。模型的計算工況為高水位工況（設計高水位為820 m），船舶撞擊力作用在最邊跨橫向排架頂部，考慮恒荷載、活荷載、船舶撞擊力作用。

3 框架碼頭層數(shù)對應力及變形的影響

本節(jié)將重點圍繞框架結(jié)構(gòu)層數(shù)對碼頭應力及變形產(chǎn)生的影響進行計算分析，進行框架層數(shù)優(yōu)化，計算結(jié)果顯示樁基部分產(chǎn)生的應力和變形均在設計允許范圍之內(nèi)，故重點考慮上部框架結(jié)構(gòu)。

3.1 設計方案荷載條件下有限元分析

在圖2 三維模型基礎(chǔ)上開展有限元分析計算，原設計方案荷載條件下計算結(jié)果如圖3 所示：

圖3 原設計方案應力及變形云圖

由圖3 可知：原設計方案產(chǎn)生的變形和應力均在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計允許范圍之內(nèi)，碼頭主體框架結(jié)構(gòu)的縱向最大拉應力出現(xiàn)在頂層邊跨縱梁底部，橫向最大拉應力出現(xiàn)在距離船舶撞擊力作用點位置最近的橫梁與立柱交界位置，橫向變形主要來源于船舶的撞擊力，縱向變形主要來源于船舶撞擊力產(chǎn)生的碼頭整體旋轉(zhuǎn)。

3.2 框架層數(shù)影響

原碼頭設計方案為四層，在不改變總高度的情況下，改變框架層數(shù)。計算選取縱向最大拉應力、橫向最大拉應力、縱向最大位移、橫向最大位移四個指標進行對比，計算結(jié)果見圖4 和圖5。

圖4 最大拉應力隨層數(shù)變化

圖5 最大位移隨層數(shù)變化

由圖4 和圖5 可知：

（1）隨著層數(shù)增加，其縱、橫向最大拉應力和縱、橫向最大位移均逐漸減小，并且減小的幅度逐漸降低，這是由于隨著層數(shù)的增加，框架結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性都增加。

（2）當層數(shù)的增加到一定程度，其兩個方向的最大拉應力均有增大的趨勢，原因是隨著層數(shù)的增加，最大拉應力的位置由原本的縱橫梁底部轉(zhuǎn)移到了縱橫梁與立柱的交界處，應力集中現(xiàn)象更加明顯。

（3）框架層數(shù)過少會導致結(jié)構(gòu)整體性差，產(chǎn)生較大應力和變形；同時層數(shù)過多會導致梁柱之間的應力集中現(xiàn)象更加嚴重。綜合考慮框架碼頭每層高度在6～10 m 之間為宜。

4 碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化方案研究

本節(jié)在層數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選取三層碼頭繼續(xù)優(yōu)化，改善其變形和應力。為彌補框架碼頭減少層數(shù)對剛度的影響，現(xiàn)考慮沿碼頭橫向方向，從邊跨開始隔跨布置豎向斜撐[6,7]，共布置四跨豎向斜撐，形狀為對角“Z”字形豎向斜撐（0.8 m×1.0 m），共計增加84 根“Z”字斜撐，結(jié)構(gòu)斷面見圖6。

圖6 優(yōu)化方案斷面圖

4.2 優(yōu)化前后應力及變形對比

為判斷優(yōu)化方案的合理性，對優(yōu)化后碼頭進行計算，結(jié)果見圖7。

圖7 優(yōu)化方案應力及變形云圖

比較原設計方案（四層）、優(yōu)化過程1（三層）和優(yōu)化過程2（增設豎向斜撐）中各個指標的變化，結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后計算結(jié)果對比

由表2 可知：

（1）優(yōu)化后框架結(jié)構(gòu)在降低橫向最大拉應力和位移方面效果顯著，相較于優(yōu)化過程1 分別減少18.7%和26.1%，相較于原設計方案也分別減少12.1%和10.5%。對于一般的框架碼頭，沿水平荷載方向設置豎向斜撐能夠有效減小最大拉應力，同時還能提高整體性，使碼頭抵抗變形的能力提升。

（2）未設置豎向斜撐之前，碼頭橫向拉應力集中在水平荷載作用區(qū)域，而設置豎向斜撐后，由圖7（b）可知碼頭橫向拉應力分布更加均勻，并且較大的拉應力分布在橫梁的底部，而不是梁柱交界位置，能夠緩解框架結(jié)構(gòu)在縱橫撐及其連接處產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象。

4.3 優(yōu)化前后經(jīng)濟性對比

僅從所需材料角度考慮，原設計方案主體框架結(jié)構(gòu)需要混凝土14005 m3，優(yōu)化方案需要混凝土12499 m3，減少了10.8%的混凝土用量。因此，通過減少框架層數(shù)并增設豎向斜撐優(yōu)化框架碼頭能夠提高其經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

（1）對于高樁框架碼頭，其結(jié)構(gòu)層數(shù)確定應兼顧工程量以及結(jié)構(gòu)變形和應力分布情況，層數(shù)過少則結(jié)構(gòu)整體性較差，層數(shù)過多則梁柱交界處應力集中現(xiàn)象較明顯，綜合而言高樁框架碼頭層高在6～10 m 為宜。

（2）碼頭上部宜直接作用在立柱上，若作用在梁或者面板上，可在下部框架結(jié)構(gòu)增設“Z”字型豎向斜撐減小碼頭構(gòu)件的應力。豎向斜撐的設置增加了結(jié)構(gòu)的剛度，使框架碼頭的空間整體性增強，在減少層數(shù)的情況下，既能減小應力和變形，也能減少工程量，使碼頭經(jīng)濟性更好、受力更優(yōu)。

（3）框架碼頭設置豎向斜撐能夠優(yōu)化傳力路徑，使整體受力更加均勻，能夠有效解決應力集中的問題。