彎矩荷載作用下重力式碼頭整體穩定性計算分析

吳敬崇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430000）

1 工程介紹

1.1 工程概述

淄博港高青港區花溝作業區一期工程位于淄博市高青縣花溝鎮，是高青港區唯一的作業區，設計年吞吐量320 萬噸，設計年通過能力351.3 萬噸。

本工程一期建設4 個1000 噸級泊位，其中2 個1000 噸級多用途泊位，2 個1000 噸級通用泊位。

1.2 設計條件

1.2.1 設計水位

本工程設計水位為：

設計高水位：12.26m

設計低水位：8.7m

工程地質：根據《淄博港高青港區花溝作業區一期工程巖土工程勘察報告》[1]，場區地層劃分為10 個工程地質層，主要土層物理力學指標如表1所示。

表1 土層物理力學指標

1.2.2 工藝荷載

通用泊位裝卸船設備采用4 臺16t-30m 的固定式起重機（固定吊），最大起重量16t，正壓力125t，水平力12t，傾覆力矩600t·m。碼頭前沿至岸側15m 范圍內均載為20Kpa，岸側15m 至新建防洪墻（42m）范圍內均載為60kpa。

1.2.3 計算斷面

碼頭采用重力式結構型式，碼頭墻體采用卸荷板式現澆混凝土結構。通用泊位在距離碼頭前沿4m 處設置固定吊，固定吊處頂寬7.0m。通用泊位固定吊斷面如圖1所示。

圖1 通用泊位固定吊斷面

2 整體穩定性計算

2.1 計算說明

通用泊位固定吊斷面整體穩定性采用上海易工軟件有限公司編制的《邊坡穩定計算程序》進行計算。以鉆孔ZK-III20-HG06 為代表鉆孔，土層物理力學指標見表1，持久狀況采用固結快剪指標[2]。

2.2 荷載分析

對于安裝固定吊的碼頭，碼頭面還受到固定吊底座傳遞的彎矩荷載。然而《邊坡穩定計算程序》荷載輸入模塊僅能定義集中荷載和均布荷載，無法直接定義彎矩荷載。為解決彎矩荷載施加問題，有以下兩種等效方法。

2.2.1 將彎矩荷載等效成力偶

根據力偶和固定吊彎矩荷載相等的原則，可將固定吊彎矩荷載等效成一對等大反向不共線的力系（力偶）施加在碼頭面。根據力系施加方向、力系大小、力偶方向，可分以下彎矩荷載等效組合，如表2所示。

表2 彎矩荷載等效力偶組合

各彎矩荷載等效力偶組合示意圖見圖2。

圖2 彎矩荷載等效力偶示意圖

2.2.2 將彎矩荷載等效成分布應力

采用簡單條分法計算地基整體穩定性時，抗力分項系數大小與滑弧范圍內土條所受的彎矩大小緊密相關。碼頭面固定吊彎矩荷載經由碼頭結構，以分布應力的形式作用在碼頭結構下方土條。由于碼頭結構自身的剛度遠大于結構下方土體的剛度，因此，可以將彎矩荷載產生的碼頭結構底部的分布應力以分布荷載的形式施加在碼頭面，荷載數值見表3。

表3 彎矩荷載等效分布應力組合

各彎矩荷載等效分布應力組合示意圖如圖3所示。

圖3 彎矩荷載等效分布應力示意圖

3 計算結果及分析

計算水位取設計低水位，采用圓弧滑動簡單條分法[3]計算通用泊位固定吊斷面整體穩定性，計算結果見表4。

表4 不同荷載組合整體穩定性計算結果

由表4可知，當碼頭面力系施加方向和力偶方向不同時，碼頭整體穩定性抗力分項系數計算結果略有差異。

（1）力系施加方向和集中力數值相同時，當力偶方向與滑弧方向相同時的抗力分項系數小于力偶方向與滑弧方向相反時的抗力分項系數。

（2）在碼頭面施加水平力時，當力偶方向和數值一樣時，抗力分項系數的大小與集中力大小和力臂無關。

（3）無論是在碼頭面施加豎向力、水平力或分布荷載，當力偶方向與滑弧方向相同時，此時力偶在土條內部產生傾覆力矩，導致抗力分項系數小于不施加彎矩時的抗力分項系數。

結果表明，當力偶方向和滑弧方向相同時，抗力分項系數小于不施加彎矩時的抗力分項系數，為計算重力式碼頭整體穩定性的控制工況。此情況下抗力分項系數最小值為1.299，最大值為1.307。

4 結論

固定式起重機由于其結構簡單，易于制造，經濟簡單，在內河港口選用較為廣泛，尤其在江南水網地區使用較多，多適用于水位差較小的直立式碼頭。

本文以淄博港高青港區花溝作業區一期工程通用泊位固定吊斷面為例，介紹了兩種計算重力式碼頭整體穩定性時彎矩荷載的等效方法，可為類似工程項目整體穩定性計算提供參考。