底梁式全直樁高樁碼頭水平力作用下的特性分析

1、底梁式全直樁高樁碼頭水平力作用下的特性分析劉曉平,凌威,林積大,周俊,陳亞嬌(長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410076摘要:全直樁高樁板梁式碼頭結(jié)構(gòu)整體剛度較小,抵抗水平荷載的能力較差,為改善其不足,提出了底梁式全直樁高樁板梁碼頭結(jié)構(gòu)型式。文中運(yùn)用有限元方法,并選用非線(xiàn)性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為計(jì)算模型,分別對(duì)有無(wú)底梁的全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)在水平力作用下結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力特征進(jìn)行了計(jì)算分析比較。結(jié)果表明:全直樁高樁碼頭結(jié)構(gòu)由于設(shè)置了底梁后,結(jié)構(gòu)整體剛度增大,其抗水平能力大幅度提高。關(guān)鍵詞:全直樁高樁碼頭;有限元法;材料非線(xiàn)性;底梁式中圖分類(lèi)號(hào):U 656.11文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1003-368

2、8(201202-0013-02Characteristic Analysis on All-vertical-piled andMudsill Wharf under Horizontal ForceLIU Xiao-ping ,LING Wei ,LIN Ji-da ,ZHOU Jun ,CHEN Ya-Jiao(School of Hydraulic Engineering ,Changsha University of Science &Technology ,Changsha ,Hunan 410076,China Abstract :Because t he whol e

3、st i f f ness oft he st r uct ur e ofal l -ver t i cal -pi l ed whar fi s l ess,t he capaci t y f orr esi st i ng t he hor i zon-t all oads i s poor .To i m pr ove t he shor t age,t he al l -ver t i cal -pi l ed and m udsi l lwhar fst r uct ur e i s pr oposed.Thi s paperuses f i ni t e el em entm et

4、 hod and sel ect s t he nonl i near i t y r ei nf or ced concr et e st r uct ur e as a cal cul at i ng m odel ,anal yzes and com par es t he char act er i st i cs ofdef or m at i on and st r ess oft he al l -ver t i cal -pi l ed wi t h or wi t houtm udsi l lr espect i vel y under t he hor i zont alf

5、 or ce.The r esul t s show t hatowi ng t o t he set up ofm udsi l li n t he al l -ver t i cal -pi l ed whar f ,t he over al lst i f f ness oft he st r uct ur e has i n-cr eased;t her eby,i t s capaci t y t o r esi sthor i zont all oads has i m pr oved gr eat l y.Key words :al l -ver t i cal -hi gh-p

6、i l ed whar f ;f i ni t e el em entm et hod;m at er i alnonl i near i t y;m udsi l lt ype 收稿日期:2011-08-04修回日期:2011-10-29作者簡(jiǎn)介:劉曉平(1956,男,江蘇泰州人,教授,主要從事港口、航道及近海工程研究。引言全直樁高樁板梁式碼頭具有對(duì)河道泄洪影響較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。但在水位變幅較大的內(nèi)河碼頭,如果采用這種碼頭結(jié)構(gòu)型式,則由于碼頭結(jié)構(gòu)高度大,橫向剛度較小,抵抗水平荷載的能力較差。針對(duì)這一問(wèn)題,設(shè)計(jì)人員提出在接近地面處的樁基上設(shè)置一層底縱橫梁,即底梁。這種結(jié)構(gòu)一方面保

7、持了全直樁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn);另一方面,底梁的設(shè)置加強(qiáng)了碼頭結(jié)構(gòu)的整體性,提高了結(jié)構(gòu)承受水平荷載作用的能力,改善了全直樁結(jié)構(gòu)的不足。本文以某內(nèi)河碼頭為例,應(yīng)用有限元模型,分別對(duì)全直樁高樁碼頭和底梁式全直樁高樁碼頭進(jìn)行計(jì)算、分析,比較結(jié)構(gòu)的變形、位移、內(nèi)力等特點(diǎn)。圖1和圖2分別為無(wú)底梁全直樁高樁板梁式碼頭和底梁式全直樁高樁板梁式碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖。圖1全直樁高樁板梁式碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖立柱靠船梁靠船立柱樁樁帽頂橫梁圖2底梁式全直樁高樁板梁式碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖靠船梁靠船立柱立柱底縱梁樁樁帽底橫梁頂橫梁中國(guó)港灣建設(shè)China Harbour Engineering2012年4月第2期總第179期Apr .,2012To

8、t al 179,N o.22012年第2期中國(guó)港灣建設(shè)1模型建立1.1結(jié)構(gòu)模型的建立該碼頭結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在ANSYS 有限元軟件中模型選用SOLID65單元,該單元能夠模擬混凝土材料的非線(xiàn)性特性以及混凝土的開(kāi)裂情況,鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用雙線(xiàn)性等向強(qiáng)化模型BISO 模擬,應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3(a 所示?；炷涟匆?guī)范2中混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系公式可得到其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖3(b 所示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼筋的彈性模量為2×105MPa ,泊松比為0.3,抗壓及抗拉強(qiáng)度均為310MPa ;混凝土的彈性模量為3×104MPa ,泊松比為0.2,抗壓強(qiáng)度為14.3M

9、Pa ,抗拉強(qiáng)度為1.43MPa ,鋼筋混凝土的密度為2500kg/m 3。1.2荷載施加該碼頭設(shè)計(jì)停泊船型為1000噸級(jí)件雜貨船,根據(jù)船舶撞擊力設(shè)計(jì)值以及碼頭防沖設(shè)備的力學(xué)性能曲線(xiàn)可得到碼頭水平撞擊荷載為300kN 。考慮最不利撞擊位置,將水平力作用在第一榀排架上層靠船梁和靠船立柱的連接點(diǎn)上,此時(shí)結(jié)構(gòu)的抗水平極限荷載能力最小3。2計(jì)算結(jié)果分析2.1結(jié)構(gòu)的位移與變形情況靠近河側(cè)立柱的水平位移值能夠反映出結(jié)構(gòu)的位移情況,比較兩種結(jié)構(gòu)各個(gè)排架靠近河側(cè)的立柱頂部的水平位移值。將第一榀排架中靠近河側(cè)的立柱命名為立柱1,第二榀排架的命名為立柱2,以此類(lèi)推到立柱5。計(jì)算所得的水平位移值如表1所示。無(wú)底梁結(jié)

10、構(gòu)立柱頂部位移值比有底梁結(jié)構(gòu)的大10倍左右,分析其原因,無(wú)底梁結(jié)構(gòu)的變形比有底梁結(jié)構(gòu)的變形更為明顯,部分立柱的兩端產(chǎn)生塑性變形(圖4陰影部分所示,有底梁結(jié)構(gòu)的變形均在彈性范圍內(nèi)(圖5,因此它的水平位移值較小。三維坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸如圖4所示:以順?biāo)鞣较驗(yàn)閆 正向,垂直水流并指向陸側(cè)為X 正向,豎直向上方向?yàn)閅 正向。2.2內(nèi)力對(duì)比分析為了解有無(wú)底梁的結(jié)構(gòu)立柱內(nèi)力的變化規(guī)律,選擇立柱1的頂部、底部和中間三個(gè)部位的應(yīng)力進(jìn)行比較。在計(jì)算模型中,立柱發(fā)生屈服可能是由于彎曲作用下其正應(yīng)力值或者剪應(yīng)力值過(guò)大,因此選擇最大正應(yīng)力1及最大剪應(yīng)力max 進(jìn)行比較見(jiàn)表2。分析可知:對(duì)于最大剪應(yīng)力,在立柱頂部和底部,

11、無(wú)底梁結(jié)構(gòu)比有底梁結(jié)構(gòu)的max 大1.21.3MPa 左右;在立300250200150100500應(yīng)力/G P a1612840應(yīng)力/M P a2.5應(yīng)變/10-30.5 1.51.0 2.0(a (b圖3材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖4無(wú)底梁碼頭結(jié)構(gòu)變形示意圖圖5底梁式碼頭結(jié)構(gòu)變形示意圖表1立柱頂部水平位移值對(duì)比結(jié)構(gòu)位置立柱1立柱2立柱3立柱4立柱5無(wú)底梁20.515.810.561有底梁2.821.20.5-0.3mm XY Z3應(yīng)變/10-312應(yīng)力結(jié)構(gòu)部位頂部中部底部max 無(wú)底梁 1.970.23 1.85有底梁0.750.460.541無(wú)底梁0.940.29 1.03有底梁1.641.01

12、0.98表2立柱1應(yīng)力值對(duì)比MPa(下轉(zhuǎn)第69頁(yè)XY Z14··2012年第2期柱的中間部位,相比無(wú)底梁結(jié)構(gòu),有底梁的水平力分散到位置更低的部位進(jìn)行傳遞,減小了立柱兩端的最大剪應(yīng)力,其剪切變形也明顯減小(圖4、圖5。對(duì)于最大正應(yīng)力,有底梁結(jié)構(gòu)比無(wú)底梁結(jié)構(gòu)在頂部和中部均有所增大,而底部的變化較小。這是因?yàn)樵黾拥讬M梁后,一部分內(nèi)力要通過(guò)立柱傳遞到底橫梁上,使得立柱頂部到中間位置這一段的正應(yīng)力值增大。當(dāng)水平力施加到無(wú)底梁結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)時(shí),在第一榀排架上出現(xiàn)裂縫,裂縫位于立柱的兩端(圖6所示。而當(dāng)水平力施加到有底梁結(jié)構(gòu)的控制點(diǎn)上,整體結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)裂縫。3結(jié)語(yǔ)通過(guò)比較在水平力下有無(wú)底梁時(shí)

13、碼頭結(jié)構(gòu)的特性可知:底梁的設(shè)置減小了結(jié)構(gòu)的位移,水平力的傳遞從之前的單一通過(guò)頂梁傳遞轉(zhuǎn)變成了頂梁與底梁共同傳遞,水平力分散到更低位置進(jìn)行傳遞,限制了立柱兩端的變形,減小了其內(nèi)力。因此,底梁的增加使其整體剛度增大,大幅度地提高了結(jié)構(gòu)的抗水平能力。參考文獻(xiàn):1盧陳.底梁式全直樁高樁碼頭水平受力分析D.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2010.2GB 500102002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范S.3張華平.大水位差全直樁框架碼頭結(jié)構(gòu)水平荷載性能研究D.重慶:重慶交通大學(xué),2009.4鄧方明,王多垠.架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)三維數(shù)值塑性破壞分析J.中國(guó)港灣建設(shè),2009(6:9-11.5王新敏.ANSYS 工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

14、M.北京:人民交通出版社,2007.6佟洪江.鋼筋混凝土構(gòu)件的非線(xiàn)性分析D.大連:大連理工大學(xué),2009.圖6第一榀排架各構(gòu)件裂縫示意圖頂橫梁靠船立柱立柱1YX!(上接第14頁(yè)衡,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。志謝:衷心感謝中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所的陳亞瞿教授和施利燕同志在漁業(yè)資源影響評(píng)估方面給予的悉心指導(dǎo)。參考文獻(xiàn):1沈國(guó)英,施并章.海洋生態(tài)學(xué)M.2版.北京:科學(xué)出版社,2002:421.2毛文永.生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)概論M.修訂版.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2003:312-313.3王云龍,成永旭,徐兆禮,等.長(zhǎng)江口疏浚土懸沙對(duì)中華絨螯蟹幼體發(fā)育和變態(tài)的影響J.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué),1999,6(5:20

15、-23.4徐兆禮,許加武,袁騏,等.長(zhǎng)江口疏浚泥浸出液、懸浮液對(duì)浮游生物的影響J.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué),1999,6(5:29-32.5徐兆禮,沈新強(qiáng),陳亞瞿.長(zhǎng)江口懸沙對(duì)牟氏角毛藻(Chaetoceros Muelleri 生長(zhǎng)影響J.海洋環(huán)境科學(xué),2004,23(4:28-30.6Newcombf C P ,Macdonald D D.Effects of Suspended Sediments on Aquatic EcosystemsJ.N Am J Fish Manage ,1991,11(1:72-82.7白雪梅,徐兆禮.底泥懸浮物對(duì)水生生物的影響J.上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,9(1:65-67.8賈曉平.海洋水產(chǎn)科學(xué)研究文集M.廣州:廣東科技出版社,2000:242-250.9SC/T91102007,建設(shè)項(xiàng)目對(duì)海洋生物資源影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程S.10沈新強(qiáng),丁躍平,袁騏.海洋溢油事故對(duì)天然漁業(yè)資源損害評(píng)估J.海洋環(huán)境科學(xué),1986,5(3:52-63.11萬(wàn)邦和.海洋石油污染及其危害J.海洋環(huán)境科學(xué),1986,5(3:52-63.12劉霜,張繼民,劉娜娜,等.填海造陸用海項(xiàng)目的海洋生態(tài)