架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響因素分析

為研究不同因素對架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響，文章以某架空直立式碼頭為研究對象建立有限元模型，分析了船舶撞擊高度，層間高度和橫梁截面尺寸對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的最大彎矩隨著船舶撞擊高度、層間高度和橫梁截面剛度的增大而增大；結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移隨著船舶撞擊高度和層間高度的增大而增大，但隨著橫梁截面剛度的增大而減小。

架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)；受力性能；船舶撞擊高度；層間高度；橫梁截面尺寸

U656.1+24A642184

作者簡介：

李燕兵（1991—），碩士，工程師，主要從事水運(yùn)工程檢測咨詢相關(guān)工作。

0" 引言

隨著我國航運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展，碼頭結(jié)構(gòu)形式越來越多樣化，受力特點(diǎn)也越來越復(fù)雜。其中，架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)因其運(yùn)輸環(huán)節(jié)少、機(jī)械化程度高、吞吐量大、適應(yīng)大水位差等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于我國內(nèi)河碼頭建設(shè)［1-2］。架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)屬于多次超靜定的框架結(jié)構(gòu)，其受力性能與所承受荷載形式、結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件截面尺寸等因素有關(guān)。為了保證架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)在使用過程中的安全性，有必要研究不同因素變化對結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

針對不同因素對架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)研究。庹莜葭等［3］采用ANSYS軟件建立三峽庫區(qū)重慶港某碼頭的橫向排架模型，分析了船舶撞擊力作用在不同位置點(diǎn)時(shí)碼頭樁基、鋼橫撐和鋼前撐的彎矩變化。劉明維等［4］以重慶主城港區(qū)某架空直立式碼頭為研究對象，采用ANSYS軟件數(shù)值分析了承臺寬度和樁直徑對碼頭水平撞擊力分配系數(shù)的影響。舒丹等［5］利用MIDAS軟件建模分析了某架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)在堆貨荷載、船舶荷載和門機(jī)荷載作用下的最不利內(nèi)力值出現(xiàn)位置，并提出了一種可尋求各構(gòu)件最不利荷載工況組合情況的算法。周世良等［6］基于傳統(tǒng)全直樁的缺點(diǎn)，提出帶嵌巖斜樁的架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式，并采用數(shù)值模擬方法對比分析了全直樁和嵌巖樁架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形情況。李月臻［7］以三峽庫區(qū)重慶奉節(jié)地區(qū)深厚覆蓋層為原型，通過ABAQUS軟件探究了土體變形對架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)橫向承載性能的影響。Xie等［8］通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析了架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)在船舶撞擊荷載作用下的受力特性，初步推導(dǎo)了樁所受荷載與位移之間的關(guān)系。Zeng等［9］利用ANSYS軟件對某航運(yùn)公司第三碼頭軌道梁在偏心荷載作用下進(jìn)行了組合仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)后方堆載會導(dǎo)致土體水平位移和承臺構(gòu)件相對錯位。

綜上所述，既有研究主要分析了不同荷載作用下和不同結(jié)構(gòu)形式的碼頭受力特性。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，利用OpenSees軟件建立某架空直立式碼頭的有限元模型，分別計(jì)算分析了不同船舶撞擊高度，層間高度和橫梁截面尺寸下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的變化，為架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1" 工程概況及有限元模型的建立

1.1" 工程概況

本文以某架空直立式碼頭為研究對象。該碼頭由五榀橫向排架組成，總高為42 m，設(shè)計(jì)高低水位差為31 m，如圖1所示。每榀橫向排架的間距為5 m，橫梁的

跨度為8 m，柱的直徑分別為2.2 m、2 m和1.4 m，Ⅰ類橫梁的截面尺寸為1.2 m×1.5 m，Ⅱ類橫梁的直徑為1.5 m，板厚為0.7 m。結(jié)構(gòu)采用C30的混凝土，HRB400的縱向鋼筋，HPB300的箍筋。梁和柱的具體配筋情況見圖2。

碼頭前沿設(shè)置7層靠船平臺，每層靠船平臺都設(shè)置靠船立柱。船舶的撞擊高度共計(jì)9種，范圍為18～42 m，每隔3 m一個撞擊點(diǎn)。作用在結(jié)構(gòu)上的荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、船舶撞擊力、堆貨荷載和集裝箱裝卸橋荷載。結(jié)構(gòu)自重可通過軟件計(jì)算，船舶撞擊力為1 030 kN，堆貨荷載為30 kN/m3。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）［10］，集裝箱裝卸橋荷載的軌距為16 m，支腿距離為14 m，輪距為0.8 m，最大輪壓為280 kN。

架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響因素分析/李燕兵，仝" 亞，劉昕玥

1.2" 有限元模型的建立

本文采用OpenSees軟件建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖3所示。其中，立柱采用彈塑性纖維梁柱單元模擬，橫梁和縱撐采用非線性梁單元模擬，樁-土效應(yīng)采用土彈簧模擬，混凝土材料采用Concrete04本構(gòu)模型模擬，鋼筋材料采用Steel02本構(gòu)模型模擬。

2" 架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能影響因素分析

2.1" 撞擊高度的影響

為研究不同撞擊高度對架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響，計(jì)算了9 m層高下船舶撞擊在第三榀排架時(shí)對應(yīng)9種撞擊高度的立柱內(nèi)力和側(cè)向位移。通過計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，船舶撞擊排架的立柱內(nèi)力均大于其他未被撞擊排架的立柱內(nèi)力，撞擊點(diǎn)立柱的側(cè)向位移均大于非撞擊點(diǎn)立柱的側(cè)向位移。故本節(jié)僅給出被撞擊排架的立柱內(nèi)力和撞擊點(diǎn)立柱的側(cè)向位移。

如圖4所示是不同撞擊高度下第三榀排架四根立柱的最大彎矩值。由圖4可知，不同撞擊高度下位于排架兩側(cè)的1#柱和4#柱最大彎矩值大于位于排架內(nèi)側(cè)的2#柱和3#柱最大彎矩值。這表明1#柱和4#柱為危險(xiǎn)構(gòu)件。此外，1#柱和4#柱的最大彎矩受撞擊高度的影響較大，2#柱和3#柱的最大彎矩受撞擊高度的影響較小。1#柱的最大彎矩在不同撞擊高度下的變化幅度較大，4#柱的最大彎矩隨著撞擊高度的增加而緩慢增加。如圖5所示為不同撞擊高度下1#柱的最大側(cè)向位移。由圖5可知，1#柱的最大側(cè)向位移隨著撞擊高度的增加呈線性增長。

2.2" 層間高度的影響

為研究不同層間高度對架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響，計(jì)算了30 m撞擊高度下船舶撞擊在第三榀排架時(shí)對應(yīng)7種層間高度的立柱內(nèi)力和側(cè)向位移。根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果可知，船舶撞擊排架的1#柱和4#柱內(nèi)力大于2#柱和3#柱。故本節(jié)僅給出被撞擊排架的1#柱內(nèi)力、4#柱內(nèi)力和撞擊點(diǎn)立柱的側(cè)向位移。

如下頁圖6所示是不同層間高度下第三榀排架1#柱和4#柱的最大彎矩值。由圖6可知，隨著層間高度的增大，1#柱和4#柱的最大彎矩逐漸增大。但是，1#柱的最大彎矩波動范圍較大，4#柱的最大彎矩變化幅度較小。這表明層間高度的變化對4#柱的最大彎矩影響并不是很大，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注1#柱的最大彎矩值。如圖7所示是不同層間高度下1#柱的最大側(cè)向位移，可以看出1#柱的最大側(cè)向位移隨著層間高度的增加而增長，且最大側(cè)向位移增長速度越來越大。

2.3" 橫梁截面尺寸的影響

為研究不同橫梁截面尺寸對架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響，在保證截面面積不變的情況下設(shè)計(jì)了6種Ⅱ類橫梁的截面尺寸，并計(jì)算了層高為9 m，撞擊高度為30 m，船舶撞擊在第三榀排架時(shí)對應(yīng)6種Ⅱ類橫梁截面尺寸的1#柱內(nèi)力和側(cè)向位移。6種Ⅱ類橫梁截面尺寸的具體信息見表1。

如圖8所示是不同截面尺寸下第三榀排架1#柱的最大彎矩值。由圖8可知，隨著Ⅱ類橫梁截面尺寸的變化，1#柱的最大彎矩也在不斷變化。總體而言，在截面面積不發(fā)生變化的情況下，1#柱的最大彎矩隨著Ⅱ類橫梁截面高度的增大而增大。這是因?yàn)棰蝾悪M梁截面高度的增大，也就是截面剛度的增大，導(dǎo)致1#柱分配到的彎矩較大。如圖9所示是不同截面尺寸下第三榀排架1#柱的最大側(cè)向位移，可以看出最大側(cè)向位移隨著梁截面高度的增大而減小。這是因?yàn)棰蝾悪M梁截面高度的增大，也就是截面剛度的增大，導(dǎo)致梁對柱的約束作用增強(qiáng)，從而使柱的變形減小。

3" 結(jié)語

本文以某架空直立式碼頭為研究對象，利用OpenSees軟件建立有限元模型，分析了船舶撞擊高度、結(jié)構(gòu)層間高度和橫梁截面尺寸對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，得出主要結(jié)論如下：

（1）隨著船舶撞擊高度的增大，被撞擊排架立柱的最大彎矩和最大側(cè)向位移增大。被撞擊排架的1#柱和4#柱最大彎矩在不同撞擊高度下都大于2#柱和3#柱最大彎矩，且1#柱最大彎矩隨著船舶撞擊高度的變化而發(fā)生較大幅度的變化。

（2）隨著結(jié)構(gòu)層間高度的增大，被撞擊排架立柱的最大彎矩和最大側(cè)向位移增大，最大側(cè)向位移的增長速度也越來越大。此外，被撞擊排架的1#柱最大彎矩受結(jié)構(gòu)層間高度變化的影響大于4#柱，其波動范圍較大。

（3）隨著橫梁截面尺寸的變化，被撞擊排架立柱的最大彎矩和最大側(cè)向位移也在變化。隨著橫梁截面剛度的增大，1#柱的最大彎矩增大，但是最大側(cè)向位移減小。

（4）在工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮選用合理層間高度和橫梁截面尺寸，保證結(jié)構(gòu)在使用過程中的最大彎矩和最大側(cè)向位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

［1］吳" 俊，吳" 凡，馬御風(fēng)，等.內(nèi)河架空直立式碼頭群樁重要性評價(jià)方法［J］.水道港口，2023，44（1）：73-81.

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［3］庹莜葭，王多銀，李泉源，等.內(nèi)河架空直立式碼頭下部結(jié)構(gòu)可靠度分析［J］.中國港灣建設(shè)，2014（12）：1-5.

［4］劉明維，翁珍燕，楊" 洋，等.架空直立式碼頭船舶撞擊力橫向分配系數(shù)數(shù)值模擬［J］.水運(yùn)工程，2013（5）：63-67.

［5］舒" 丹，劉明維，吳林鍵，等.內(nèi)河架空直立式碼頭三維空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件最不利荷載工況組合算法［J］.中國港灣建設(shè)，2014（2）：37-44.

［6］周世良，胡" 沛，周" 洋.全直樁和嵌巖斜樁架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)特性分析［J］.水運(yùn)工程，2015（6）：46-50.

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［10］JTS 144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范［S］.

20240225