卸荷板對方塊碼頭基床應(yīng)力影響的研究

王志瑜，張 峰

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222；2.威海市雙島灣開發(fā)投資有限公司，山東 威海 264200）

引 言

重力式方塊碼頭，由于其混凝土結(jié)構(gòu)自重較大，加之后方回填材料、使用荷載對方塊主體產(chǎn)生的土壓力和波吸力的作用，使墻底應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致海側(cè)應(yīng)力增大，陸側(cè)應(yīng)力減小，甚至出現(xiàn)應(yīng)力為零的點，為了使應(yīng)力分布更為合理，卸荷板的作用顯得尤為突出。

本文結(jié)合葫蘆島港綏中港區(qū)某通用泊位工程研究卸荷板懸臂高程和長度在正常使用狀況和地震狀況對基床應(yīng)力的影響規(guī)律。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面

1 工程概況

葫蘆島港綏中港區(qū)某通用泊位工程為兩個 5萬t級通用散貨泊位，碼頭結(jié)構(gòu)按照10萬t設(shè)計。碼頭前沿底高程-16.2 m（以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫠闫?，下同），碼頭頂面高程4.0 m，碼頭主體結(jié)構(gòu)高20.2 m，基床厚度3.5 m（即底高程-19.7 m），碼頭區(qū)域-19.7 m高程以下為圓礫和卵石，是重力式方塊碼頭的良好持力層。該碼頭標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段長21.74 m，主體結(jié)構(gòu)由4層混凝土方塊、卸荷板和現(xiàn)澆胸墻組成。碼頭結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

2 計算分析

2.1 計算方法及變量選取

基床應(yīng)力采用重力式理正軟件對碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。鑒于當(dāng)?shù)氐乃粭l件（保證胸墻底面在施工水位以上）以及以往類似工程的設(shè)計經(jīng)驗分別選取卸荷板外伸長度L=2.0 m、2.5 m、2.9 m（卸荷板長度不宜太長，超過3.0 m卸荷板配筋很難算夠，小于 1 m 卸荷功能不明顯），卸荷板底高程H=-1.0 m、-1.2 m、-1.5 m、-1.7 m、-2.0 m的情況進(jìn)行計算。

2.2 結(jié)果與分析

通過計算得到了持久組合狀況下基床應(yīng)力的計算結(jié)果，如圖2（a）～（h）所示。

圖2 持久組合狀況下基床應(yīng)力計算結(jié)果

圖2中（a）、（b）、（c）分別為卸荷板懸臂長度不變，通過改變卸荷板底高程得到碼頭前趾應(yīng)力的變化規(guī)律，從圖中可以看出當(dāng)卸荷板懸臂長度不變，改變卸荷板底高程對碼頭前趾應(yīng)力影響很小，前趾應(yīng)力變化基本上是隨著卸荷板底高程的降低而減少，這是降低卸荷板底高程導(dǎo)致碼頭重心后移帶來的變化。但是圖（a）中當(dāng)卸荷板底高程降低至-2.0 m時碼頭前趾應(yīng)力突然由變小的趨勢變?yōu)樵龃?，這是由于降低卸荷板高程雖然將碼頭重心后移，但同時也增加了整個碼頭結(jié)構(gòu)的自重，且由于自重增加的前趾應(yīng)力大于重心后移降低的前趾應(yīng)力?？傮w來說對于持久狀況，通過改變卸荷板高程來降低基床應(yīng)力的效果不明顯。

圖2 中（d）、（e）、（f）、（g）、（h）分別為卸荷板底高程不變，通過改變卸荷板懸臂長度得到的碼頭前趾應(yīng)力變化規(guī)律，從圖中可以看出當(dāng)卸荷板底高程不變時，碼頭前趾應(yīng)力隨著卸荷板懸臂長度的增大而減少，且變化趨勢明顯。

地震組合得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 地震組合結(jié)果

圖3中（a）、（b）、（c）分別為卸荷板懸臂長度不變，通過改變卸荷板底高程得到碼頭前趾應(yīng)力的變化規(guī)律，從圖中可以看出當(dāng)卸荷板懸臂長度不變，前趾應(yīng)力變化基本上是隨著卸荷板底高程的降低而增大，這是隨著卸荷板底高程降低導(dǎo)致碼頭主體結(jié)構(gòu)自重增大，豎向地震慣性力增大造成的，圖中可以看出卸荷板長度為2.5 m和2.0 m時，前趾應(yīng)力雖然隨著卸荷板底高程的降低而增大，但是變化幅度有限，但是當(dāng)卸荷板懸臂長度為2.9 m時，前趾應(yīng)力變化明顯，這同樣是卸荷板加長導(dǎo)致碼頭主體結(jié)構(gòu)自重增大造成的。所以當(dāng)?shù)卣鸺铀俣葹?.1g，只有在卸荷板懸臂長度較大情況下通過調(diào)節(jié)卸荷板底高程對應(yīng)力影響較大。

圖3 中（d）、（e）、（f）、（g）、（h）分別為卸荷板底高程不變，通過改變卸荷板懸臂長度得到的碼頭前趾應(yīng)力變化規(guī)律，從圖中可以看出當(dāng)卸荷板底高程不變時，碼頭前趾應(yīng)力隨著卸荷板懸臂長度的增大而減少，且除了（h）之外均降低明顯，說明在卸荷板底高程過低時，通過加長卸荷板的長度對碼頭前趾應(yīng)力影響有限。

根據(jù)以上計算結(jié)果我們可以看到，不論在地震組合還是持久組合卸荷板的懸臂長度對本工程的基床應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于卸荷板底高程的影響，合理的選擇卸荷板長度成為本工程碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。根據(jù)上述計算結(jié)果并結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ虒嶋H本工程選擇的卸荷板懸臂長度為2.9 m，底高程-1.5 m。

3 拓展研究

圖4 基床應(yīng)力影響規(guī)律計算結(jié)果

由于綏中地區(qū)地震烈度為7度，地震加速度為0.1g，根據(jù)以往的成果，0.1g的地震加速對碼頭結(jié)構(gòu)影響很小，故這里不做計算，但是當(dāng)?shù)卣鸺铀俣葹?.2g時地震對碼頭的影響就非常顯著了，由于方塊碼頭的整體性較差，當(dāng)?shù)卣鸺铀俣却笥?.2g時就不適合采用重力式方塊結(jié)構(gòu)了，所以這里僅對地震加速度為0.2g的情況進(jìn)行拓展研究。計算還是采用以上的工況，分別研究卸荷板懸臂長度和底高程對基床應(yīng)力的影響規(guī)律，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4（a）、（b）、（c）分別為卸荷板懸臂長度不變，通過改變卸荷板底高程得到碼頭前趾應(yīng)力的變化規(guī)律，從圖中可以看出當(dāng)卸荷板懸臂長度不變，前趾應(yīng)力變化基本上是隨著卸荷板底高程的降低而增大，正好與持久狀況相反，這是由于降低卸荷板底高程增加了上部結(jié)構(gòu)自重導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)頭重腳輕，結(jié)構(gòu)上部地震慣性力大增，使得傾覆力矩增大的緣故，且當(dāng)懸臂長度較大時，這種變化趨勢尤為明顯，通過對比（a）和（c）看出，當(dāng)懸臂長度為2.0 m時雖然隨著懸臂底高程的降低而變大但是變化幅度很小，當(dāng)懸臂長度為2.9 m時，在卸荷板底高程由-1.5 m調(diào)整到-1.7 m時幾乎發(fā)生了突變，這是傾覆力矩變大導(dǎo)致基頂應(yīng)力重分布造成的結(jié)果。所以對已地震狀況，卸荷板底高程的選取非常重要，應(yīng)該盡量選擇一個偏高的高程以減小上部結(jié)構(gòu)的自重，達(dá)到減小地震慣性力的目的。

圖4（d）、（e）、（f）、（g）、（h）分別為卸荷板底高程不變，通過改變卸荷板懸臂長度得到的碼頭前趾應(yīng)力變化規(guī)律，從圖中可以看出當(dāng)卸荷板底高程不變，改變卸荷板懸臂長度時得到的圖形除圖（f）之外基本都是V字型，說明這四種情況卸荷板最優(yōu)的懸臂長度均在2～2.9 m之間；對于底高程為-1.5 m的情況，最優(yōu)懸臂長度應(yīng)該大于 2.9 m，但是方塊碼頭的卸荷板一般不宜做到3 m以上。當(dāng)?shù)卣鸺铀俣葹?.2g時卸荷板長度應(yīng)在2.0～2.9 m之間選取，卸荷板底高程盡量抬高。

4 結(jié) 語

1）對于持久狀況卸荷板底高程的選取對基床應(yīng)力影響很小，而卸荷板懸臂長度是控制因素，可以通過增加卸荷板懸臂長度來降低基床應(yīng)力。

2）當(dāng)?shù)卣鹩嬎慵铀俣葹?.1g時，卸荷板底高程的選取不能過低，然后卸荷板懸臂長度來降低基床應(yīng)力。

3）對于地震計算加速度為0.2g的地區(qū)，卸荷板底高程應(yīng)盡量選擇的高一些，以減少卸荷板上擔(dān)土的重量，同時卸荷板懸臂長度盡量控制在2.5 m左右，以減少碼頭主體結(jié)構(gòu)的重量。

卸荷板底高程和懸臂長度對重力式方塊碼頭基床應(yīng)力有著極為重要的影響，但不是影響基床應(yīng)力的惟一因素，底層方塊寬度對基應(yīng)力的影響也極為明顯，本文是在底層方塊寬度一定的前提下研究的卸荷板底高程和懸臂長度對重力式方塊碼頭基床應(yīng)力影響，但在實際工程中還應(yīng)綜合考慮方塊寬度對碼頭結(jié)構(gòu)的影響。