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架空直立式码头结构受力性能的影响因素分析

2024-10-14 66 上传者：管理员

摘要：为研究不同因素对架空直立式码头结构受力性能的影响，文章以某架空直立式码头为研究对象建立有限元模型，分析了船舶撞击高度，层间高度和横梁截面尺寸对结构内力和位移的影响。结果表明：结构的最大弯矩随着船舶撞击高度、层间高度和横梁截面刚度的增大而增大；结构的最大侧向位移随着船舶撞击高度和层间高度的增大而增大，但随着横梁截面刚度的增大而减小。

关键词：
受力性能
层间高度
架空直立式码头结构
横梁截面尺寸
船舶撞击高度
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随着我国航运事业的快速发展，码头结构形式越来越多样化，受力特点也越来越复杂。其中，架空直立式码头结构因其运输环节少、机械化程度高、吞吐量大、适应大水位差等优点而被广泛地应用于我国内河码头建设[1-2]。架空直立式码头结构属于多次超静定的框架结构，其受力性能与所承受荷载形式、结构形式和构件截面尺寸等因素有关。为了保证架空直立式码头结构在使用过程中的安全性，有必要研究不同因素变化对结构受力性能的影响。

针对不同因素对架空直立式码头结构受力性能的影响，国内外学者已开展了相关研究。庹莜葭等[3]采用ANSYS软件建立三峡库区重庆港某码头的横向排架模型，分析了船舶撞击力作用在不同位置点时码头桩基、钢横撑和钢前撑的弯矩变化。刘明维等[4]以重庆主城港区某架空直立式码头为研究对象，采用ANSYS软件数值分析了承台宽度和桩直径对码头水平撞击力分配系数的影响。舒丹等[5]利用MIDAS软件建模分析了某架空直立式码头结构在堆货荷载、船舶荷载和门机荷载作用下的最不利内力值出现位置，并提出了一种可寻求各构件最不利荷载工况组合情况的算法。周世良等[6]基于传统全直桩的缺点，提出带嵌岩斜桩的架空直立式码头结构形式，并采用数值模拟方法对比分析了全直桩和嵌岩桩架空直立式码头结构的内力和变形情况。李月臻[7]以三峡库区重庆奉节地区深厚覆盖层为原型，通过ABAQUS软件探究了土体变形对架空直立式码头结构横向承载性能的影响。Xie等[8]通过现场试验和数值模拟的方法分析了架空直立式码头结构在船舶撞击荷载作用下的受力特性，初步推导了桩所受荷载与位移之间的关系。Zeng等[9]利用ANSYS软件对某航运公司第三码头轨道梁在偏心荷载作用下进行了组合仿真计算，发现后方堆载会导致土体水平位移和承台构件相对错位。

综上所述，既有研究主要分析了不同荷载作用下和不同结构形式的码头受力特性。本文在已有研究的基础上，利用OpenSees软件建立某架空直立式码头的有限元模型，分别计算分析了不同船舶撞击高度，层间高度和横梁截面尺寸下结构内力和位移的变化，为架空直立式码头结构的设计提供参考。

1、工程概况及有限元模型的建立

1.1工程概况

本文以某架空直立式码头为研究对象。该码头由五榀横向排架组成，总高为42 m,设计高低水位差为31 m,如图1所示。每榀横向排架的间距为5 m,横梁的跨度为8 m,柱的直径分别为2.2 m、2 m和1.4 m,Ⅰ类横梁的截面尺寸为1.2 m×1.5 m,Ⅱ类横梁的直径为1.5 m,板厚为0.7 m。结构采用C30的混凝土，HRB400的纵向钢筋，HPB300的箍筋。梁和柱的具体配筋情况见图2。

图1结构示意图(mm)

图2梁和柱的配筋示意图(mm)

码头前沿设置7层靠船平台，每层靠船平台都设置靠船立柱。船舶的撞击高度共计9种，范围为18～42 m,每隔3 m一个撞击点。作用在结构上的荷载考虑结构自重、船舶撞击力、堆货荷载和集装箱装卸桥荷载。结构自重可通过软件计算，船舶撞击力为1 030 kN,堆货荷载为30 kN/m3。根据《港口工程荷载规范》(JTS 144-1-2010)[10],集装箱装卸桥荷载的轨距为16 m,支腿距离为14 m,轮距为0.8 m,最大轮压为280 kN。

1.2有限元模型的建立

本文采用OpenSees软件建立结构的有限元模型，如图3所示。其中，立柱采用弹塑性纤维梁柱单元模拟，横梁和纵撑采用非线性梁单元模拟，桩-土效应采用土弹簧模拟，混凝土材料采用Concrete04本构模型模拟，钢筋材料采用Steel02本构模型模拟。

图3结构有限元模型图

2、架空直立式码头结构受力性能影响因素分析

2.1撞击高度的影响

为研究不同撞击高度对架空直立式码头结构受力性能的影响，计算了9 m层高下船舶撞击在第三榀排架时对应9种撞击高度的立柱内力和侧向位移。通过计算结果发现，船舶撞击排架的立柱内力均大于其他未被撞击排架的立柱内力，撞击点立柱的侧向位移均大于非撞击点立柱的侧向位移。故本节仅给出被撞击排架的立柱内力和撞击点立柱的侧向位移。

如图4所示是不同撞击高度下第三榀排架四根立柱的最大弯矩值。由图4可知，不同撞击高度下位于排架两侧的1#柱和4#柱最大弯矩值大于位于排架内侧的2#柱和3#柱最大弯矩值。这表明1#柱和4#柱为危险构件。此外，1#柱和4#柱的最大弯矩受撞击高度的影响较大，2#柱和3#柱的最大弯矩受撞击高度的影响较小。1#柱的最大弯矩在不同撞击高度下的变化幅度较大，4#柱的最大弯矩随着撞击高度的增加而缓慢增加。如图5所示为不同撞击高度下1#柱的最大侧向位移。由图5可知，1#柱的最大侧向位移随着撞击高度的增加呈线性增长。

图4不同撞击高度下立柱的最大弯矩曲线图

图5不同撞击高度下1#柱的最大侧向位移曲线图

2.2层间高度的影响

为研究不同层间高度对架空直立式码头结构受力性能的影响，计算了30 m撞击高度下船舶撞击在第三榀排架时对应7种层间高度的立柱内力和侧向位移。根据前文计算结果可知，船舶撞击排架的1#柱和4#柱内力大于2#柱和3#柱。故本节仅给出被撞击排架的1#柱内力、4#柱内力和撞击点立柱的侧向位移。

如下页图6所示是不同层间高度下第三榀排架1#柱和4#柱的最大弯矩值。由图6可知，随着层间高度的增大，1#柱和4#柱的最大弯矩逐渐增大。但是，1#柱的最大弯矩波动范围较大，4#柱的最大弯矩变化幅度较小。这表明层间高度的变化对4#柱的最大弯矩影响并不是很大，应该重点关注1#柱的最大弯矩值。如图7所示是不同层间高度下1#柱的最大侧向位移，可以看出1#柱的最大侧向位移随着层间高度的增加而增长，且最大侧向位移增长速度越来越大。

图6不同层间高度下立柱的最大弯矩曲线图

图7不同层间高度下1#柱的最大侧向位移曲线图

2.3横梁截面尺寸的影响

为研究不同横梁截面尺寸对架空直立式码头结构受力性能的影响，在保证截面面积不变的情况下设计了6种Ⅱ类横梁的截面尺寸，并计算了层高为9 m,撞击高度为30 m,船舶撞击在第三榀排架时对应6种Ⅱ类横梁截面尺寸的1#柱内力和侧向位移。6种Ⅱ类横梁截面尺寸的具体信息见表1。

表1Ⅱ类横梁截面尺寸具体信息表

如图8所示是不同截面尺寸下第三榀排架1#柱的最大弯矩值。由图8可知，随着Ⅱ类横梁截面尺寸的变化，1#柱的最大弯矩也在不断变化。总体而言，在截面面积不发生变化的情况下，1#柱的最大弯矩随着Ⅱ类横梁截面高度的增大而增大。这是因为Ⅱ类横梁截面高度的增大，也就是截面刚度的增大，导致1#柱分配到的弯矩较大。如图9所示是不同截面尺寸下第三榀排架1#柱的最大侧向位移，可以看出最大侧向位移随着梁截面高度的增大而减小。这是因为Ⅱ类横梁截面高度的增大，也就是截面刚度的增大，导致梁对柱的约束作用增强，从而使柱的变形减小。

图8不同截面尺寸下1#柱的最大弯矩曲线图

图9不同截面尺寸下1#柱的最大侧向位移曲线图

3、结语

本文以某架空直立式码头为研究对象，利用OpenSees软件建立有限元模型，分析了船舶撞击高度、结构层间高度和横梁截面尺寸对结构受力性能的影响，得出主要结论如下：

(1)随着船舶撞击高度的增大，被撞击排架立柱的最大弯矩和最大侧向位移增大。被撞击排架的1#柱和4#柱最大弯矩在不同撞击高度下都大于2#柱和3#柱最大弯矩，且1#柱最大弯矩随着船舶撞击高度的变化而发生较大幅度的变化。

(2)随着结构层间高度的增大，被撞击排架立柱的最大弯矩和最大侧向位移增大，最大侧向位移的增长速度也越来越大。此外，被撞击排架的1#柱最大弯矩受结构层间高度变化的影响大于4#柱，其波动范围较大。

(3)随着横梁截面尺寸的变化，被撞击排架立柱的最大弯矩和最大侧向位移也在变化。随着横梁截面刚度的增大，1#柱的最大弯矩增大，但是最大侧向位移减小。

(4)在工程实践中，应根据实际情况综合考虑选用合理层间高度和横梁截面尺寸，保证结构在使用过程中的最大弯矩和最大侧向位移在规范允许范围内。

参考文献:

[1]吴俊,吴凡,马御风,等.内河架空直立式码头群桩重要性评价方法[J].水道港口,2023,44(1):73-81.

[2]郑涛,何欢.多随机变量下的架空直立式码头桩基可靠度分析[J].水运管理,2016,38(8):20-23.

[3]庹莜葭,王多银,李泉源,等.内河架空直立式码头下部结构可靠度分析[J].中国港湾建设,2014(12):1-5.