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(長沙理工大學水利工程學院,湖南長沙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。文中運用有限元方法,并選用非線性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為計算模型,分別對有無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)力特征進行了計算分析比較。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;材料非線性;底梁式中圖分類號:U 656.11文獻標志碼:A文章編號: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 st i

3、 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 hod

4、 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 or

5、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-pi l

6、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河道泄洪影響較小、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等優(yōu)點。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。針對這一問題,設(shè)計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)一方面保持了全直

7、樁結(jié)構(gòu)的特點;另一方面,底梁的設(shè)置加強了碼頭結(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,應用有限元模型,分別對全直樁高樁碼頭和底梁式全直樁高樁碼頭進行計算、分析,比較結(jié)構(gòu)的變形、位移、內(nèi)力等特點。圖1和圖2分別為無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港灣建設(shè)China Harbour Engineering2012年4月第2期總第179期Apr .,2012Tot al

8、 179,N o.22012年第2期中國港灣建設(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性特性以及混凝土的開裂情況,鋼筋的應力應變關(guān)系采用雙線性等向強化模型BISO 模擬,應力-應變曲線如圖3(a 所示?；炷涟匆?guī)范2中混凝土單軸應力-應變關(guān)系公式可得到其應力-應變關(guān)系曲線如圖3(b 所示。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼筋的彈性模量為2105MPa ,泊松比為0.3,抗壓及抗拉強度均為310MPa ;混凝土的彈性模量為3104MPa ,泊松比為0.2,抗壓強度為14.3MPa ,抗拉強度為1.43MPa

9、 ,鋼筋混凝土的密度為2500kg/m 3。1.2荷載施加該碼頭設(shè)計停泊船型為1000噸級件雜貨船,根據(jù)船舶撞擊力設(shè)計值以及碼頭防沖設(shè)備的力學性能曲線可得到碼頭水平撞擊荷載為300kN ?？紤]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上,此時結(jié)構(gòu)的抗水平極限荷載能力最小3。2計算結(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,以此類推到立柱5。計算所得的水平位移值如表1所示。無底梁結(jié)構(gòu)立柱頂部位移值比有底梁結(jié)構(gòu)的大

10、10倍左右,分析其原因,無底梁結(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。三維坐標系中坐標軸如圖4所示:以順水流方向為Z 正向,垂直水流并指向陸側(cè)為X 正向,豎直向上方向為Y 正向。2.2內(nèi)力對比分析為了解有無底梁的結(jié)構(gòu)立柱內(nèi)力的變化規(guī)律,選擇立柱1的頂部、底部和中間三個部位的應力進行比較。在計算模型中,立柱發(fā)生屈服可能是由于彎曲作用下其正應力值或者剪應力值過大,因此選擇最大正應力1及最大剪應力max 進行比較見表2。分析可知:對于最大剪應力,在立柱頂部和底部,無底梁結(jié)構(gòu)比有底梁結(jié)構(gòu)的max

11、大1.21.3MPa 左右;在立300250200150100500應力/G P a1612840應力/M P a2.5應變/10-3(b圖3材料應力-應變曲線圖4無底梁碼頭結(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比2.821.20.5-0.3mm XY Z3應變/10-312應力結(jié)構(gòu)部位1.641.010.98表2立柱1應力值對比MPa(下轉(zhuǎn)第69頁XY Z142012年第2期柱的中間部位,相比無底梁結(jié)構(gòu),有底梁的水平力分散到位置更低的部位進行傳遞,減小了立柱兩端的最大剪應力,其剪切變形也明顯減小(圖4、圖5。對于最大正應力,有底梁結(jié)構(gòu)比無底梁結(jié)構(gòu)在頂部和中部均有所

12、增大,而底部的變化較小。這是因為增加底橫梁后,一部分內(nèi)力要通過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力值增大。當水平力施加到無底梁結(jié)構(gòu)控制點時,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。而當水平力施加到有底梁結(jié)構(gòu)的控制點上,整體結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)裂縫。3結(jié)語通過比較在水平力下有無底梁時碼頭結(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:1盧陳.底梁式全直樁高樁碼頭水平受力分

13、析D.長沙:長沙理工大學,2010.2GB 500102002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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,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)件的非線性分析D.大連:大連理工大學,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頁衡,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。志謝:衷心感謝中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所的陳亞瞿教授和施利燕同志在漁業(yè)資源影響評估方面給予

14、的悉心指導。參考文獻:1沈國英,施并章.海洋生態(tài)學M.2版.北京:科學出版社,2002:421.2毛文永.生態(tài)環(huán)境影響評價概論M.修訂版.北京:中國環(huán)境科學出版社,2003:312-313.3王云龍,成永旭,徐兆禮,等.長江口疏浚土懸沙對中華絨螯蟹幼體發(fā)育和變態(tài)的影響J.中國水產(chǎn)科學,1999,6(5:20-23.4徐兆禮,許加武,袁騏,等.長江口疏浚泥浸出液、懸浮液對浮游生物的影響J.中國水產(chǎn)科學,1999,6(5:29-32.5徐兆禮,沈新強,陳亞瞿.長江口懸沙對牟氏角毛藻(Chaetoceros Muelleri 生長影響J.海洋環(huán)境科學,2004,23(4:28-30.6Newcomb

15、f 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.底泥懸浮物對水生生物的影響J.上海水產(chǎn)大學學報,2000,9(1:65-67.8賈曉平.海洋水產(chǎn)科學研究文集M.廣州:廣東科技出版社,2000:242-250.9SC/T91102007,建設(shè)項目對海洋生物資源影響評價技術(shù)規(guī)程S.10沈新強,丁躍平,袁騏.海洋溢油事故對天然漁業(yè)資源損害評估J.海洋環(huán)境科學,1986,5(3:52-63.11萬邦和.海洋石油污染及其危害J.海洋環(huán)境科學,1986,5(3:52-63.12劉霜,張繼民,劉娜娜,等.填海造陸用海項目的