高樁碼頭伸縮縫處擠壓破裂的有限元分析

高樁碼頭伸縮縫處擠壓破裂的有限元分析

在使用高樁碼頭時，不僅受到門車荷載、船舶碰撞等外力作用，而且受到由材料熱脹和收縮引起的溫度應力和自身不均勻沉降引起的沉降效應。通過在結構段與結構段之間留有伸縮縫,使相鄰結構段之間可以產(chǎn)生相對變位,用來釋放溫度應力和沉降應力。伸縮縫的結構和構造形式直接影響碼頭分段之間傳遞水平力的性質。伸縮縫與沉降縫一般均結合起來設置(簡稱“伸縮縫”)。按照《高樁碼頭設計與施工規(guī)范》,伸縮縫的寬度為20～30mm,在實際工程中,一般取20mm。伸縮縫的間距即為碼頭結構的分段長度。調查發(fā)現(xiàn),一些碼頭按照規(guī)范要求的伸縮縫寬度為20～30mm進行設計施工,而且也采用了規(guī)范建議的分段縫形式,但是使用幾年后卻在伸縮縫周圍存在不同程度的問題,有問題的伸縮縫數(shù)占被調查伸縮縫總數(shù)的90%左右,嚴重影響了碼頭的安全和使用。目前,國內外對于高樁碼頭分縫處工后縫寬的研究及相關成果很少,無法為碼頭設計方案的優(yōu)化和施工條件的確定提供理論支撐。因此,有必要結合目前的工程實踐,通過有限元方法建立三維實體模型對工后縫寬進行理論分析,對高樁碼頭面板變形后在分縫處發(fā)生擠壓接觸、臨界接觸和沒有接觸3種情況的縫寬影響進行較全面地研究,從理論上分析不同縫寬時碼頭面板因變形產(chǎn)生的內力變化規(guī)律,為碼頭設計和施工條件控制提供依據(jù)。1三維有限建模1.1高樁港區(qū)縫寬分析技術ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。軟件主要包括3個部分:前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。軟件提供了100種以上的單元類型,用來模擬工程中的各種結構和材料。采用接觸有限元分析技術能有效模擬結構縫接觸過程,結合塑性屈服理論,有利于全面分析面板分縫處縫齒、縫槽的變形與內力情況。本文運用ANSYS軟件,結合具體工程實例,分別對碼頭面板縫齒和縫槽的應力應變進行分析,對高樁碼頭分縫處工后縫寬的影響進行研究,并結合具體實例進行實際應用分析。由溫度應力和不均勻沉降引起的變形,在伸縮縫兩側面板的橫向變形方向一致,而縱向變形方向相反,易產(chǎn)生擠壓接觸,因此本文在有限元計算時,只給面板施加縱向位移荷載。1.2模型單元及接觸單元的確定結合浙江沿海典型的高樁碼頭設計方案,建立與實際工程一致的三維模型。圖1為碼頭面板分縫處縫寬為20mm的平面圖,定義坐標系為:x指沿著碼頭長度方向,向右為正;y指沿著碼頭寬度方向,向海側為正;z指高度方向,向上為正。碼頭面板模型單元類型選用SOLID185,共計11760個單元,15595個節(jié)點,劃分網(wǎng)格如圖2所示。面板材料選用C40混凝土,接觸部分采用面-面接觸,接觸單元為contact174單元,目標單元為target170單元,模型右端面施加固定約束,左端面施加向右的x向水平位移,其大小為0.04m,分50步加載,每步步長為0.0008m。對面板變形后在分縫處發(fā)生擠壓接觸、臨界接觸和沒有接觸3種情況的縫寬影響進行全面的研究,將工后縫寬分為0.02m,0.03m,0.04m,0.05m和0.06m共5種情況。碼頭分縫之間假設填滿彈性填充材料,材料的彈性模量為2.5×105Pa(以往工程中多以木絲板填充,這種做法在高樁碼頭設計中沿用了多年,收到了很好的效果)。1.3縫寬和縫槽變形響應分析圖3和圖4顯示了縫齒等效應力和塑性應變隨X向水平位移變化。從圖3可以看出,面板發(fā)生變形到相互接觸之前,縫齒內部的等效應力隨水平位移的增大而線性增長,此階段碼頭面板間的水平作用力由填縫材料進行傳遞,不同縫寬的縫齒都處于彈性變形階段,等效塑性應變?yōu)榱?等效應力曲線的斜率主要受到填縫材料彈性模量的影響。當水平位移達到0.02m時,縫寬為0.02m的碼頭面板首先開始接觸,此時碼頭面板縫齒內部的等效應力急劇上升,先后經(jīng)歷彈性變形階段、彈塑性變形階段、屈服階段和破壞階段。在此過程中,縫齒的等效塑性應變在接觸發(fā)生后首先表現(xiàn)為線性增長,進入彈塑性變形階段后為非線性增長,在水平位移達到0.0276m左右(即縫齒處于屈服階段)以后,開始急劇上升(圖4)。當水平位移達到0.0296m時,模型破壞,即縫寬為0.02m的面板模型能允許的最大水平位移為0.0296m,面板接觸以后的允許繼續(xù)變形量ΔDp為0.0096m。在水平位移增大的過程中,縫寬為0.03m的縫齒所經(jīng)歷的階段與縫寬為0.02m的縫齒相似,水平位移達到0.0392m以后,模型破壞,即此種縫寬情況下的面板模型允許的最大水平位移為0.0392m,面板接觸以后的允許繼續(xù)變形量ΔDp為0.0092m(與0.02m的縫寬允許繼續(xù)變形量不一致是由于計算時步長誤差的影響,安全起見可以取0.0092m為本文所述模型不同縫寬時的最大繼續(xù)接觸變形量)。其余縫寬為0.04m,0.05m和0.06m的情況均未出現(xiàn)破壞,從圖3和圖4可以看出,縫齒還處于彈性變形階段,塑性應變均為0。圖5和圖6顯示了縫槽等效應力和塑性應變隨x向水平位移變化。從圖5中可以看出,面板發(fā)生變形到相互接觸之前,縫槽內部的等效應力也隨水平位移的增大而線性增長,不同縫寬的面板都處于彈性變形階段。當水平位移達到0.02m時,縫寬為0.02m的碼頭面板首先開始接觸,此時縫槽內部的等效應力急劇上升,先后經(jīng)歷彈性變形階段和彈塑性變形階段,沒有達到屈服。在彈塑性變形過程中,縫槽的等效塑性應變隨水平位移的增大開始線性上升(圖6),直到縫齒處出現(xiàn)破壞?？p寬為0.03m的縫槽所經(jīng)歷的階段與縫寬為0.02m的縫槽相似,在此不重復分析。其余縫寬為0.04m,0.05m,0.06m的縫槽均未出現(xiàn)破壞,從等效應力圖和等效塑性應變圖可以看出,縫槽還處于彈性變形階段,塑性應變均為0。由此可見,相鄰碼頭面板在臨界接觸(縫寬為0.04m)和沒有接觸(縫寬為0.05,0.06m)這2種情況下,縫齒和縫槽的受力和變形主要與填縫材料的力學性能有關,此時相鄰面板間雖不會發(fā)生擠壓破損的情況,但面板間相互約束變形的作用也并不明顯。當面板發(fā)生擠壓接觸(縫寬為0.02,0.03m),擠壓變形在允許的最大繼續(xù)變形范圍內(即為0.0092m)時,面板不會出現(xiàn)破壞,而如果繼續(xù)變形超過了允許的范圍,則會在縫齒處出現(xiàn)破壞。因而,設計時如何根據(jù)不同碼頭規(guī)模和用料的實際情況,確定一個合理的工后縫寬至關重要。2工作后重新設計2.1確定工后縫寬的公式在進行碼頭分縫設計時,要考慮溫度應力引起的面板水平伸縮變形的影響、不均勻沉降引起的豎向變形的影響、構件制作和安裝過程中的偏差影響等,綜合以上各因素,伸縮縫設計寬度可用下式確定:式中:ΔD為伸縮縫設計寬度;ΔDac為工后縫寬;ΔDm為構件制作偏差,根據(jù)《港口工程技術規(guī)范》取10mm;ΔD為構件安裝偏差,根據(jù)《港口工程技術規(guī)范》取15mm。碼頭分縫縫寬設計時,考慮了多種因素的影響。但施工完成后,碼頭的工后縫寬在一些因素的影響下往往與設計值偏差較大。為了排除施工、制造過程中各種不確定因素造成的干擾,更準確地研究分縫處實際縫寬對碼頭面板受力和變形的影響,需要對工后縫寬進行專門的研究。而工后最小縫寬也是決定分縫處安全與否的關鍵因素,其主要與溫度應力引起的變形、不均勻沉降變形和碼頭面板接觸后允許的最大繼續(xù)變形有關。根據(jù)以上分析,提出一個確定合理工后縫寬的新思路:先計算出碼頭的最大可能變形量ΔD′,即溫度應力和不均勻沉降引起的總變形,再利用有限元法確定某種工況條件下允許的最大繼續(xù)變形ΔDp。進而求出工后最小縫寬ΔDacmin,即最大可能變形與碼頭允許的最大繼續(xù)變形之差。從相鄰面板間約束變形和防止破壞的角度考慮,合理的工后縫寬范圍應該在工后最小縫寬ΔDacmin到最大可能變形ΔD′之間取值。由于縫齒處的受力和變形往往大于縫槽處,所以最理想的工后縫寬值ΔDac應該是碼頭面板發(fā)生最大可能變形,縫齒處于屈服階段時的縫寬大小。這樣在保證分縫處結構安全的前提下,可以縫齒和縫槽最大限度地發(fā)揮材料的性能和相鄰面板之間約束變形的作用。因而本文提出確定合理工后縫寬的公式如下:式中:ΔD′為最大可能變形量;ΔDacmin為工后最小縫寬;ΔDt為由溫度變化引起的構件伸長,ΔDt=αΔtL,其中α為混凝土線脹系數(shù),一般取α=1.0×10-5℃-1,Δt為施工季節(jié)時溫度與最高溫度及最低溫度之差的大值,L為碼頭面板分段的長度;ΔD為結構不均勻沉降等變形帶來的伸縮縫變化,一般工程中取10mm;ΔD為碼頭面板允許的最大繼續(xù)變形,與所使用的材料有關。2.2縫寬和土體應力應變模型為了驗證本文提出的確定工后縫寬的思路是否合理,結合具體工程實例進行分析。本文所依據(jù)的實際工程為9排樁碼頭,相鄰伸縮縫之間的長度即分段長度為72m,施工溫度為當?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?6.3℃,當?shù)貧v年極端最高氣溫為39.7℃,多年最低平均氣溫為12.7℃,最大溫差為23.4℃,本模型所允許的最大繼續(xù)變形為9.2mm。根據(jù)公式(2)計算得溫度應力變形ΔDt為16.8mm,最大可能變形ΔD′為26.8mm,工后需要的最小縫寬ΔDac為17.6mm,所以工后縫寬可取規(guī)范下限值20mm,根據(jù)式(1)可知設計縫寬為45mm。使用上文的有限元模型,設置工后縫寬為20mm,最大變形為26.8mm,分50步加載,每步步長為0.536mm。依據(jù)計算結果整理出分縫處的等效應力和等效塑性應變與X向水平位移關系如圖7和8所示(主要為發(fā)生接觸以后的情況)。可以看出,縫槽還處于彈塑性變形階段,縫齒則經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段并剛好達到屈服狀態(tài),正是預期的理想狀態(tài)?？梢?根據(jù)本文所提出的確定工后縫寬的思路,可以使設計出的縫寬在滿足分縫處結構安全的基礎上,充分發(fā)揮了碼頭材料的性能和面板的約束作用。3分縫寬度的確定臨界接觸和沒有接觸的工況對分縫處結構不會造成破壞,擠壓接觸時只要工后縫寬合理也不會發(fā)生破壞。因而一個合理的工后縫寬對碼