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基于有限元的新型板桩码头结构设计及稳定性能改善分析

2024-11-18 79 上传者：管理员

摘要：针对传统板桩码头强度富余的问题，通过将土工格栅代替钢拉杆形成稳定传力材料设计了一种新型板桩码头，并进行了性能测试分析。结果表明新型板桩码头受板桩墙嵌固深度、格栅强度与埋深影响明显；其中格栅强度为75MPa时，最大水平位移为6.28cm，土工格栅等效应力最大为50.03MPa。合理的土工格栅布置与传统的钢拉杆均能保证码头的稳定性，但土工格栅体现出更强的经济效益。研究的设计丰富了土工格栅优化的理论研究。

关键词：
土工格栅优化
板桩码头
直立式码头
稳定性分析
静力荷载
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一、引言

板桩式码头是由拉杆、帽梁、导梁和锚碇结构等组成的直立式码头，依靠板桩入土部分的侧向土抗力和安设在其上部的锚碇结构的支承作用维持稳定[1]。板桩式码头具有强大的抗压、抗弯、抗扭和抗震能力，可承受各种风浪、船只和货物的振动和冲击，保证码头的稳定性和安全性[2]。钢拉杆是板桩墙和锚定结构之间的传力构件，是板桩码头的关键结构组成。然而现有工程监测结果表明，由于保守的设计计算方法，性能优越的钢拉杆材料以及荷载分散效应，强度剩余现象明显[3]。因此，在确保码头安全性的前提下有必要采用性能更佳的传力材料代替钢拉杆提高材料的利用率。钢塑性土工格栅的主要受力单元由高分子材料复合而成，具有极高的抗拉强度和承载力、良好的抗腐蚀性和防老化性能。为了解决板桩码头强度富余的问题，研究创新地提出将钢塑性土工格栅作为传力材料设计一种新型板桩码头结构，连续铺设钢塑性土工格栅代替钢拉杆形成稳定的传力结构。该设计有望优化传统板桩码头的结构设计，同时带来显著的经济效益和环境效益。

二、新型板桩码头的数值计算及模型建立

1．新型板桩码头的设计及数值计算理论

研究采用轻质高强材料土工格栅优化了板桩码头的板桩码头，基于土工格栅优化的新型板桩码头结构如图1所示。

图1 基于土工格栅优化的新型板桩码头结构

由图1可见，新型板桩码头主要由板桩墙、土工格栅以及锚定墙构成，土工格栅作为受拉构件现浇平铺于板桩连墙和锚定墙之间，作用于墙后用于减小上部荷载，并改善土压力作用。研究采用Mohr-Coulomb塑性本构作为土体本构模型，用于描述岩土材料的力学行为。Mohr-Coulomb模型是一种基于材料破坏时应力状态的模型，假设材料在达到屈服前为弹性体，屈服后则产生塑性变形[4-5]。材料屈服准则见式（1）。

式（1）中，τ表示剪切力（KN）；φ表示材料的内摩擦角（°）；c表示材料的粘聚力（KN）；σ表示正应力或法向应力（KN）。Mohr-Coulomb模型的剪切屈服面函数F见式（2）。

式（2）中，Rmc表示摩尔库伦偏应力系数；q表示Mises等效应力（MPa);p表示等效压应力（MPa);β表示q-p平面的屈服面的倾斜角（°）。为了避免Mohr-Coulomb在屈服面尖角处出现塑性流动方向不唯一的问题，研究在Abaqus建模过程中采用连续光滑的塑性势面代替原屈服面，并采用非关联流动法则判断塑性应变的方向和大小。研究采用线弹性本构模型作为板桩码头混凝土的本构模型，线弹性模型可近似混凝土的小变形情况。同时，采用线弹性本构模型作为土工格栅的本构模型。土工格栅是由高分子聚合物制成的平面网状结构材料，多数情况下在设计强度范围内土工格栅的应力-应变关系可近似为线性。

新型板桩码头abaqus数值模型构建过程中，接触面的分析与设置十分关键。接触面的相互作用模型主要分为法向行为模型与切向行为模型。法向行为发生在两个物体发生接触并紧压的情况下，仅在物体接触面之间不存在空隙时，法向应力通过接触面传递，将其定义为数值模型中的硬接触。在法向行为发生的同时，物体接触面开始传递摩擦力，采用Coulomb摩擦定律描述接触和摩擦行为，极限剪应力计算见式（3）。

式（3）中，τ、τcu分别表示切应力、临界切应力（MPa）；μs表示摩擦系数；p表示法向接触力（KN）。可见，滑移状态下摩擦力的大小由滑动摩擦系数和法向压力决定。在新型板桩码头建模过程中，土体、水体与板桩墙以及土体与锚定墙采用通用接触，法向行为定义为硬接触，切向行为定义为无摩擦；土工格栅与土体的切向行为则定义为罚函数。

2．新型板桩码头的有限元模型设计

研究以中国某码头工程为实例进行数值分析，该工程共建设4个泊位，使用港口岸线397.4m，计划年吞吐量为541万t，设计年通过能力710万t。泊位均布荷载为码头前沿往后3m范围为5k Pa,3-20m范围为20k Pa。工艺荷载为300k N的双梁桥式起重机支腿荷载。研究基于有限元分析软件Abaqus建立了数值分析模型。研究选取土工格栅剖面作为典型计算面，Abaqus数值模型的结构剖面形式如图2所示。

图2 Abaqus数值模型的结构剖面形式示意图

由图2可见，板桩墙与锚定墙厚度为1m，板桩墙的码头开挖深度与嵌入土层中的深度为8m，锚定墙的深度为4m，设置板桩前墙与锚定墙的间距为10m。因此，土工格栅的埋入深度为4m，铺设长度、宽度分别为11和5m，土工格栅的网格大小为25*25mm，重度为60k N/m3。同时构建传统的板桩码头数值模型用于对比分析，钢拉杆采用Q345钢，直径为6cm；拉杆的屈服力为970k N，重度为78k N/m3。桩土接触采用约束方程接触算法通过建立约束方程来描述接触面之间的相互作用，将接触面和目标面的节点相互“粘接”，约束方程可限制节点的相对运动，模拟板桩与土体的接触行为。

为了消除由于模型建立或网格划分等原因引入的初始不平衡力，首先分析数值模型的土体初始应力场，即模拟土体在自重应力长期作用下的固结状态。并采用“生死单元”模拟施工过程中的逐步加载或卸载过程，不激活除土体以外的所有构件，进行土体初始应力场的平衡计算。首先通过施加适当的边界条件和重力荷载直至初始竖向位移小于10-6量级后结束；然后重新激活构件在初始应力场平衡的基础上施加静力荷载完成静力分析。由于不同构件之间的本构模型存在差异，为了避免接触面之间的滑移，研究设置土体接触面为主面，墙体接触面为从面，法向行为定义为硬接触，摩擦系数取值0.35。土工格栅采用嵌入约束，嵌入板桩墙、锚定墙以及土体结构中。由于土工格栅的厚度远小于其长度和宽度，研究将其视为二维结构进行模拟。使用壳单元模拟土工格栅，减少计算量的同时保持较高的计算精度。选用的壳单元为四结点曲面薄壳减缩积分单元，厚度为3mm。此外，其他结构单元均采用八节点六面体缩减积分单元模拟。所有结构单元的网格划分方式为扫略网格划分。最后在构建的数值模型上施加压强作用用于模拟水体作用，板桩墙与泥面均承受面荷载作用，码头上赋20k Pa的初始面荷载。

三、新型板桩码头的稳定性能分析

基于研究构建的有限元数值模型，展开了新型板桩码头的稳定性影响因素分析。设置8、10和12m三种板桩墙嵌固深度工况，板桩墙嵌固深度对稳定性的影响分析结果如图3所示。由图3(a）可见，同一板桩墙嵌固深度下，水平位移随板桩墙底部到顶部呈增大趋势；同时，随板桩墙嵌固深度的增加，板桩墙的水平位移呈减小趋势。板桩墙嵌固深度为8、10和12m时，对应最大水平位移分别为9.43、8.21和6.37cm。由图3(b）可见，板桩墙的压力变化随嵌固深度的增加，最大压力位置距离墙底的距离增大，接近泥面位置。增加嵌固深度减轻了板桩墙受到的应力，有助于延长码头的使用寿命。图3(c）中，由板桩墙陆侧土压力变化趋势可见土压力为“被动”发展趋势，对应图3(b）中等效应力变化规律。图3(d）中，随板桩墙嵌固深度的增加，土工格栅承受的应力逐渐减小，新型板桩码头结构整体刚度得到提升，格栅在传递和分散荷载方面的作用减弱。

图3 板桩墙嵌固深度对码头的稳定性影响分析

继续考察土工格栅性能对码头的稳定性影响，格栅强度分别取35、55、75MPa，实验结果如图4所示。由图4(a）可见，随格栅强度增加，板桩墙的水平位移不断减小。格栅强度为35、55、75MPa时，对应最大水平位移分别为9.69、8.61和6.28cm。土工格栅强度的提升可有效地抵抗外部荷载和土压力的作用，约束板桩墙的移动。随板桩墙水平位移的减小，土压力会相对增大，进而导致板桩墙的内力增加，如图4(b）可见。由图4(c）可见，土工格栅自身应力随格栅强度增加而增加，当格栅的应力增长速度超过了其强度的增长速度，将导致格栅材料的破坏。

图4 土工格栅强度对码头的稳定性影响分析

土工格栅埋深分别取3.5、4.5和5.5m，土工格栅埋深对码头的稳定性影响分析结果如图5所示。由图5(a）可见，随土工格栅埋深增加，板桩墙的水平位移不断增大，这是由于土工格栅埋深的增加减弱了对板桩墙的约束。由图5(b）、（c）可见，板桩墙与土工格栅的等效应力随埋深增加而增加，需加强码头板桩墙与土工格栅的连接。

图5 土工格栅埋深对码头的稳定性影响分析

最后，将研究设计的新型板桩码头与传统的板桩码头进行性能对比，设置传统板桩码头的钢拉杆间距分别为1、2和2.5m，上部荷载为20k Pa，其他参数工况保持一致，实验结果如图6所示。

图6 不同板桩码头性能对比分析

由图6(a）可见，传统的板桩码头中，随钢拉杆间距增加，板桩墙的水平位移逐渐增大；同时对应图6(b）中的板桩墙应力增大。由图6(c）可见，不同传力材料中，土工格栅的应力大于不同间距的钢拉杆应力。综合而言，采用土工格栅作为连接板桩墙和锚定墙的结构材料是一个更为经济合理的选择。

四、结论

为了减少传统板桩码头钢拉杆强度富余的现状，研究提出了一种土工格栅传力的新型板桩码头，分析了不同参数变化下板桩码头的稳定性。实验结果表明，格栅强度为35、55和75MPa时，对应最大水平位移分别为9.69、8.61和6.28cm；土工格栅自身应力随格栅强度增加而增加；格栅埋深为3.5、4.5和5.5m时，对应最大水平位移分别为9.13、9.87和10.81cm。研究设计的土工格栅的经济效益更为显著。但研究并未展开波浪载荷与地震作用下的稳定性分析，未来可进一步深入探索土工格栅在复杂环境条件下的长期性能及耐久性，为工程实践提供更全面的技术支持。

参考文献:

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[3]杜炜,聂如松,李列列等.考虑不同边界条件的风积沙-土工格栅拉拔试验离散元模拟研究[J].岩土力学,2023,44(6):1849-1862.

[4]詹锐彪,胡乔辉.大水位差高桩码头现浇梁板结构支撑系统研究与应用[J].中国港湾建设,2023,43(5):57-61.

[5]王飞朋,潘金霞,雷明月等.老高桩梁板式码头船舶岸电配套基坑改造方案及要点分析[J].水运工程,2022,48(1):95-100.

文章来源:林玉娴.基于有限元的新型板桩码头结构设计及稳定性能改善分析[J].中国水运(下半月),2024,24(11):77-79.