李武
(廣西江舟物流有限公司 廣西南寧 530021)
內(nèi)河高樁框架碼頭結(jié)構(gòu)應(yīng)用及受力特性分析
李武
(廣西江舟物流有限公司 廣西南寧 530021)
本文主要是以某一內(nèi)河高樁框架碼頭作為實(shí)例進(jìn)行講述,對(duì)該碼頭結(jié)構(gòu)應(yīng)用及受力特性進(jìn)行分析,主要目的是為日后內(nèi)河高樁框架碼頭建設(shè)提供有效借鑒和參考。
內(nèi)河;高樁框架碼頭;結(jié)構(gòu);受力特性;分析
高樁框架碼頭不但剛度大,整體性好,還具有良好的抗震性能,主要適用在水位差比較大的內(nèi)河碼頭,符合兩層或者多層系靠船的要求。在對(duì)其設(shè)計(jì)以及規(guī)范設(shè)計(jì)過程當(dāng)中,建議采用空間結(jié)構(gòu)模型方式來進(jìn)行計(jì)算。
2.1 工程基本概況
某一內(nèi)河高樁框架碼頭,其高低水位差設(shè)計(jì)為11.68m。按照總平面進(jìn)行布置,該碼頭的面頂高程以及港池底高程分別為44m以及26.8m,碼頭長和寬分別為332m以及27m。經(jīng)過地質(zhì)勘探后發(fā)現(xiàn),在該場(chǎng)地的地基范圍之內(nèi),碼頭樁基持力層主要由白云質(zhì)灰?guī)r組成,而巖土層結(jié)構(gòu)主要是由白云質(zhì)灰?guī)r以及粉質(zhì)粘土組成??v橫向聯(lián)系梁、現(xiàn)澆縱梁、現(xiàn)澆立柱、橫梁組成了該碼頭的上部結(jié)構(gòu)。其中,靠船立柱斷面、縱橫向聯(lián)系梁、立柱斷面的尺寸分別為 3000mm×1200mm、1000mm×600mm、1000mm×1000mm?,F(xiàn)澆軌道梁以及碼頭面現(xiàn)澆縱梁分別為2060mm×1000mm和1800mm×500mm。
該碼頭的工作平臺(tái)可分為三層,第一層主要為碼頭的頂面,其高程為40m;第二層和第三層頂面高程分別為38.2m和33.1m。碼頭一共可以劃分為十個(gè)結(jié)構(gòu)段,每個(gè)結(jié)構(gòu)段長度為33m,均屬于全直樁結(jié)構(gòu),每個(gè)結(jié)構(gòu)段有五個(gè)排架,橫方向排架間距為7.1m,總共有五十個(gè)碼頭排架。碼頭排架的內(nèi)樁主要是由兩根直徑1200mm的灌注樁以及三根直徑1400mm灌注樁構(gòu)成。三根灌注樁的間距為5.24m。在碼頭前沿設(shè)置五臺(tái)45t-25m多用途門機(jī),基距以及軌距均為10.5m。碼頭的結(jié)構(gòu)按照3000t級(jí)貨船來進(jìn)行設(shè)計(jì),在碼頭的每個(gè)排架上布置橡膠護(hù)舷(L=2000,DA-A500H),間距為7.2m。把頂層系船柱布置在橫梁上,其它系船柱布置在靠船立柱側(cè)面上,與碼頭前沿相距0.6m。
2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算相關(guān)方法
采用有限單元方法對(duì)框架碼頭進(jìn)行計(jì)算,可以分為空間框架結(jié)構(gòu)計(jì)算以及平面剛架計(jì)算兩種?,F(xiàn)本文主要是采用空間框架結(jié)構(gòu)來進(jìn)行計(jì)算,該方法主要采用大型通用有限元軟件SAP2000來進(jìn)行計(jì)算,該程序主要是對(duì)樁基受力模型采用假想鑲嵌固點(diǎn)法以及桿系有限單元法來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。一般來說,框架碼頭的樁基都是采用灌注型嵌巖樁,模型均是把樁基嵌固點(diǎn)當(dāng)作三向固定約束,確保其在各個(gè)方向上的位移均為0。
在現(xiàn)行高樁碼頭設(shè)計(jì)當(dāng)中,其橫向和縱向均為多層平面的剛架結(jié)構(gòu),確保樁和上部的結(jié)構(gòu)連接的時(shí)候具有足夠的錨固強(qiáng)度:一般要求樁按上下固接進(jìn)行計(jì)算。碼頭按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算的時(shí)候,要以計(jì)算樁內(nèi)力為主要目的。根據(jù)平面問題以及空間問題進(jìn)行分析:基樁內(nèi)力相差不大。框架碼頭作為剛性樁臺(tái):在外力的作用下,一般只會(huì)考慮樁臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和位移,而不考慮框架本身的變形。當(dāng)對(duì)框架內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候,可以把靠船立柱、立柱、橫梁等構(gòu)件簡化為單個(gè)的桿件,并充分考慮桿件的剛度。各個(gè)節(jié)點(diǎn)均按照固結(jié)進(jìn)行處理,用空間桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。
2.3 作用效應(yīng)組合
在碼頭結(jié)構(gòu)來中,其作用效應(yīng)一般可分為碼頭面均載、自重力、水流力以及船舶荷載等幾種。對(duì)各種可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載進(jìn)行充分考慮,最不利的組合形式具體如下幾種:①組合一:自重(固定設(shè)備自重)+碼頭面均載+水流力(洪水期最大的設(shè)計(jì)流速)。②組合二:自重+撞擊力(主導(dǎo)可變荷載)+碼頭面均載+水流力(作業(yè)允許流速)。③組合三:自重(主導(dǎo)可變荷載)+系纜力+門機(jī)荷載+碼頭面均載+集裝箱拖掛車+水流力(作業(yè)允許流速)。④組合二:自重+門機(jī)荷載(主導(dǎo)可變荷載)+系纜力+碼頭面均載+集裝箱拖掛車+水流力(作業(yè)允許流速)。
2.4 主要外荷載
一般來說,有水流力、碼頭面均載、船舶荷載、流動(dòng)機(jī)械荷載等均屬于碼頭的外荷載范疇。本文實(shí)例所提到船舶荷載主要是根據(jù)3000DWT內(nèi)河船舶,按照靠泊作業(yè)的水流條件以及風(fēng)速來進(jìn)行計(jì)算,即計(jì)算的時(shí)候采用的系纜力為450kN。撞擊力主要是按照護(hù)舷吸能曲線查表之后進(jìn)行選取。水流力主要是根據(jù)不作業(yè)時(shí)最大的水流速度以及作業(yè)時(shí)允許的水流速度,對(duì)構(gòu)件的水流力進(jìn)行計(jì)算。碼頭面均載主要按照規(guī)范取30kPa。裝卸設(shè)備的荷載主要是根據(jù)45t-25m門機(jī),一共三十二個(gè)輪,四條腿。流動(dòng)機(jī)械主要為40t的集裝箱拖車。
2.5 計(jì)算結(jié)果
碼頭工作平臺(tái)承載能力極限狀態(tài)持久組合及正常極限狀態(tài)持久狀況的長期效應(yīng)組合下,空間框架的最大內(nèi)應(yīng)力以及平面剛架的計(jì)算結(jié)果具體如表1所示。
2.6 結(jié)構(gòu)受力特性分析
(1)經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn),兩種模型的樁力差別在10%范圍內(nèi),結(jié)果都比較接近。充分說明了框架結(jié)構(gòu)在傳遞豎向荷載方面貢獻(xiàn)小,從垂直力角度分析,主要是由兩個(gè)相鄰的排架樁基來承受。
表1
(2)從上表數(shù)據(jù)結(jié)果觀察得知:平面剛架模型的軌道梁以及橫梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果要稍微大于空間框架模型,充分說明了框架橫向在受力傳遞過程中,縱向梁單元具有一定的貢獻(xiàn),對(duì)于工程中采用平面剛架模型進(jìn)行計(jì)算的行為屬于比較保守的做法。
(3)通過對(duì)空間進(jìn)行分析計(jì)算后發(fā)現(xiàn),全直樁碼頭橫向位移較小,充分說明了采用灌注型嵌巖樁并帶縱橫梁系的全直樁框架碼頭結(jié)構(gòu)抵抗船舶水平荷載具有良好的效果,符合結(jié)構(gòu)的具體使用要求。從軸力、剪力以及彎距等各個(gè)部位來分析,碼頭結(jié)構(gòu)受力都在承載范圍之內(nèi),均具備合理性。此外,可按照計(jì)算最終結(jié)果,在確保樁基、立柱以及軌道梁在安全合理的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)構(gòu)件的空間進(jìn)行優(yōu)化。
(4)前排樁軸力比較大,而后排樁樁力比較小。究其原因主要是因?yàn)楹奢d在框架節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生固端彎距,而水平力主要作用于前排樁上。在計(jì)算過程中,經(jīng)過分配、傳遞以及再分配之后,出現(xiàn)逐級(jí)遞減現(xiàn)象,一般情況下,如果離荷載作用點(diǎn)位置越遠(yuǎn),其產(chǎn)生的影響也會(huì)減小。
本文通過計(jì)算,分析總結(jié)了框架碼頭受力特性主要為:碼頭具有很強(qiáng)的抗彎能力,水平變位小,結(jié)構(gòu)剛度大,具有多種作用效應(yīng)以及作用組合。垂直力應(yīng)把裝卸設(shè)備作為主導(dǎo),對(duì)樁柱軸、剪力以及梁板產(chǎn)生影響較大;此外,碼頭水平力主要把船舶荷載作為主導(dǎo),但需要注意的是不能忽視水流力所產(chǎn)生的作用效應(yīng)對(duì)梁柱彎距所產(chǎn)生的影響。通過對(duì)框架碼頭受力分析,望為日后框架碼頭設(shè)計(jì)做出更多的指導(dǎo),確??蚣艽a頭建設(shè)更具安全合理性。
[1]李高陽,陳大可,錢正委,朱廣安.高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].中國水運(yùn)(下半月),2014,20(07):99~101.
[2]陳維平.高樁框架碼頭檢測(cè)與分析[J].工程與建設(shè),2015,23(04):777~779.
U656.1
A
1004-7344(2016)13-0151-02
2016-4-19
李 武(1981-),男,工程師,本科,主要從事港口碼頭、航道整治的設(shè)計(jì)及管理方面工作。