船舶靠泊内河大水位差高桩框架码头受力分析
时间：2020-12-15 08:00:50 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：本文针对西江某内河大水位差高桩框架码头，采用有限元计算软件MIDAS-CIVIL建立空间有限元模型，对不同水位下船舶靠泊不同位置时的某高桩框架码头结构受力进行分析，得到了高桩码头结构不同构件的位移、弯矩等结果及其分布规律。此分析方法及结果可为同类型码头的结构设计及运营使用提供一定参考。
关键词：大水位差 高桩框架码头 船舶靠泊 撞击力
西江是珠江水系航运主干流，为了适应西江流域经济的发展，保证码头在不同时节不同水位（水位差大于17m）下船舶均能靠泊使用，而防止船舶频繁靠泊对高桩码头结构造成破坏，其最基本的手段就是要求船舶按规范靠泊的同时使结构具有一定的防撞能力。这就要求在设计阶段对各种作用下的结构响应进行分析，根据分析结果进行设计和采取合理的防范措施，并对码头的使用运营提出相应要求。本文以某高桩框架码头结构为例，通过有限元计算软件MIDASCIVIL建立空间模型进行计算，对不同水位不同撞击力作用下的码头结构响应进行分析，此分析方法和结果可为同类型码头结构的设计及运营使用提供一定参考。
1.分析计算方法
随着高桩码头结构设计理论和方法的发展，目前国内外用于高桩码头结构分析的方法主要分为平面计算方法、空间计算方法和物理模型试验方法。
当码头纵横向刚度比较接近时，且结构受力较为复杂，结构空间特性较为显著时，码头结构内力宜按空间计算更为合理。
高桩框架码头结构受力具有空间特性。按空间结构计算框架码头结构，其计算过程可采用矩阵位移法、有限单元法或有限差分法。有限单元法是以弹性力学为基础，用矩阵进行推演，用计算机程序作数值解算，是求解各领域数理方程的一种通用的近似方法。现有的有限元结构分析程序，如SAP2000、Midas Civil、Ansys、ABAQUS等软件是国内外都公认的通用结构有限元计算软件，本文通过有限元计算软件MIDAS-CIVIL建立空间模型进行计算分析。
2.工程概况
本文选取西江某电厂高桩框架码头的其中一个标准结构段（长55.8m，宽22m）进行建模分析。
码头基础采用D1300mm钻孔灌注桩（嵌岩桩），持力层为中风化岩层，底高程为-38m。排架间距为7.5m，每个排架布置4根桩。
上部结构采用适应大水位差的钢筋混凝土框架结构，框架分为4层，全部采用现浇工艺；码头系缆设施采用550kN系船柱；防护设施选用DAA400H2000L型橡胶护舷，间隔布置，间距为2200mm；码头前后轨道梁中心距为12m；具体详见图1。
3.有限元计算模型
根据码头结构型式和力学特点，可将其简化为杆件系统建立码头排架的有限元模型。结合《高桩码头设计与施工规范》（JTS 167-1-2010）和有限元分析的原理，采用MIDASCIVIL有限元软件对全直桩框架码头进行计算，基桩与桩帽间为嵌固连接，根据嵌固点确定基桩的计算长度，桩端固结约束所有自由度。混凝土的弹性模量取3.25*104Mpa，泊松比取0.2。
3.1码头排架的作用荷载与效用分析
码头排架的永久作用包括结构自重和传递给横梁的面板自重，钢筋混凝土重度按25.0kN/m3计算。可变作用包括船舶系缆力、船舶撞击力、码头面均布荷载、码头面流动机械荷载和移动式卸船机荷载。本文仅论证分析在不同水位不同船舶撞击力作用下码头结构的受力情况，故其作用具体荷载如下：
（1）均载： q=20kN/m2。
（2）船舶撞击力
按靠泊速度0.20m/s计算，船舶撞击力为830kN。
3.2荷载作用组合
本文仅论证分析在不同水位不同船舶撞击力作用下码头结构的受力情况，故荷载作用工况主要为正常使用期的工况，即相同的其他荷载作用+不同的船舶撞击力作用。将船舶撞击力分为四种，即：
（1）撞击力01：设计高水位时作用在码头端部；
（2）撞击力02：设计高水位时作用在码头中部；
（3）撞击力03：设计低水位时作用在码头端部；
（4）撞击力04：设计低水位时作用在码头中部。
故荷载作用与作用效应组合详见表1。
3.3有限元模型的建立
为了较准确的模拟框架码头结构的刚度及质量分布，模型采用板单元模拟码头面板结构，采用梁单元模拟灌注桩基础和上部框架结构。码头面上的附加质量则采用质量单元模拟。最终通过MIDAS-CIVIL软件得到此码头结构的有限元分析模型如图2所示。
4.模型计算分析
本文通过MIDAS-CIVIL计算软件采用不同荷载作用效应对框架码头结构的受力情况进行计算，得到此结构段基桩及梁的轴力、弯矩和位移结果如图3所示。
根据分析结果可知，在船舶撞击力作用下，此高桩框架结构的码头结构内力及位移均较小，弯矩、位移最大值位于码头结构的两端，弯矩值从大到小依次为组合三（1972kN*m）﹥组合四（1758k N*m） ﹥组合一（1556kN*m） ﹥组合二（1501kN*m）。
由于高桩框架码头整体结构刚度高，灌注桩抗弯承载能力强，船舶撞击力作用下各灌注桩的弯矩分布较为均匀，每根灌注桩均能充分发挥其抗弯能力。因此，高桩框架码头结构比较适宜用于水位差较大的码头工程。
5.结语
本文以西江某电厂高桩框架码头结构为例，通过有限元计算软件MIDAS-CIVIL进行计算，对码头结构在不同船舶撞击力作用下的结构响应进行分析，分析结果表明，船舶撞击力作用下：
（1）船舶撞击力作用于结构段端部时位移最大；作用于结构段中间部位时，位移、弯矩均比作用于端部时小。作用位置由结构段端部向结构段中部，受力的均匀性越来越大；
（2）对高桩框架码头，船舶撞击力作用下，水位越低，灌注桩弯矩最大值则越大；
（3）码头桩顶弯矩较大，设计时应加强桩与上部结构连接处的抗弯强度设计；
（4）高桩框架码头结构比较适宜用于水位差较大的内河码头工程，运营使用过程中应要求船舶按规范靠泊，尽量让船舶停靠与码头的中部位置。
参考文献：
[1]邹智，王多垠，石兴勇，等.框架码头桩基结构在不同水位船舶撞击力作用下的受力分析.港工技术，2013（2）：27-31.
[2]JTS 167-1-2010.高桩码头设计与施工规范.北京：人民交通出版社，2010.
[3]JTS 144-1-2010.港口工程荷載规范[S].北京：人民交通出版社，2010.
[4]张毅文.高桩码头的空间性对结构计算的影响分析.天津：天津大学，2014.
