庹莜葭 ，王多銀 ，李泉源 ，舒丹 ，吳林鍵

（1.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074；3.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530011）

隨著三峽大壩蓄水以來(lái)，庫(kù)區(qū)水位大幅提高，河岸及地形起伏變化大，處于庫(kù)區(qū)回水變動(dòng)區(qū)的新建碼頭將面臨低水位施工時(shí)間短暫、碼頭的前方作業(yè)平臺(tái)與后方陸域平臺(tái)的地形高差大等問(wèn)題。針對(duì)庫(kù)區(qū)變動(dòng)回水區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的深水區(qū)、水位漲落變化大的洪水期的特點(diǎn)，王多垠等[1]提出了大樁徑、大跨度的“三跨四樁柱”的架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式相對(duì)更為簡(jiǎn)單，減少樁基數(shù)量、降低碼頭造價(jià)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件在陸上預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝，加快施工進(jìn)度。汪承志等[2]提出鋼護(hù)筒與鋼筋混凝土聯(lián)合受力的內(nèi)河大水位差架空直立式結(jié)構(gòu)，基于最不利單元搜索的單位荷載組合法，對(duì)復(fù)雜工況條件的該類碼頭力學(xué)特性進(jìn)行探討。楊艷等[3]采用有限元軟件對(duì)架空直立式碼頭樁基進(jìn)行了可靠度分析，討論了在典型荷載工況組合條件下的可靠度指標(biāo)，結(jié)果表明船舶撞擊力對(duì)碼頭樁基的可靠度分析起著主導(dǎo)作用。

本文依托三峽庫(kù)區(qū)重慶港某碼頭工程項(xiàng)目，結(jié)合Monte Carlo法與ANSYS的PDS模塊，在承載能力極限狀態(tài)下對(duì)架空直立式碼頭下部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，即樁基、鋼橫撐、鋼前撐進(jìn)行可靠度分析，以提高該類結(jié)構(gòu)的工程性能。

1 有限元模型靜力分析

1.1 工程概況

三峽庫(kù)區(qū)重慶港某碼頭工程地處三峽庫(kù)區(qū)變動(dòng)回水區(qū)，采用鋼護(hù)筒與鋼筋混凝土聯(lián)合受力的高樁直立框架結(jié)構(gòu)，碼頭作業(yè)平臺(tái)長(zhǎng)515 m，寬30 m，排架間距為8 m，共65榀，每榀排架設(shè)4根基樁，其中江側(cè)基樁采用φ2 000鋼筋混凝土嵌巖灌注樁外包直徑為2.2 mδ16的鋼護(hù)筒，其余3排基樁采用φ1 800鋼筋混凝土嵌巖灌注樁外包直徑為2.0 mδ16的鋼護(hù)筒，平臺(tái)前沿豎向設(shè)置6層系靠船設(shè)施，碼頭結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 碼頭橫向排架剖面圖Fig.1 The cross-section of wharf lateral bent

1.2 有限元建模

在不同荷載工況組合情況下，該架空直立式碼頭受力狀態(tài)十分復(fù)雜，并且碼頭結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的類型和尺寸有相當(dāng)大的變化，涉及的功能函數(shù)表達(dá)式復(fù)雜，直接計(jì)算其可靠指標(biāo)相當(dāng)困難，故本文中，只針對(duì)其橫向排架在承載能力極限狀態(tài)下，對(duì)碼頭下部結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件進(jìn)行可靠度分析。結(jié)合實(shí)際工程，采用結(jié)構(gòu)通用有限元軟件ANSYS建立碼頭的橫向排架模型。該模型采用3D二次有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧狟EAM189模擬，樁土相互作用通過(guò)假設(shè)嵌固點(diǎn)法限制其樁底的全部自由度。此外，考慮鋼護(hù)筒與鋼筋混凝土的接觸問(wèn)題，對(duì)基于鋼護(hù)筒的鋼筋混凝土構(gòu)件均采用ANSYS中Secread導(dǎo)入自定義的復(fù)合截面，最終有限元數(shù)值模型共劃分了609個(gè)單元，共計(jì)1 817個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element model

1.3 設(shè)計(jì)荷載工況組合分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知船舶撞擊力對(duì)碼頭主體結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算起決定性的作用，故本文在承載能力極限狀態(tài)下進(jìn)行荷載組合時(shí)，將結(jié)構(gòu)自重及堆載、門(mén)機(jī)荷載等視為常量，考慮船舶撞擊力作用在6種不同作用位置點(diǎn)（見(jiàn)圖3），對(duì)碼頭樁基、鋼橫撐、鋼前撐進(jìn)行靜力特性分析。

圖3 撞擊力作用位置圖Fig.3 Theacting position of impact force

結(jié)果表明隨著撞擊力位置的不斷降低，樁基2到樁基4、鋼橫撐的彎矩不斷減少，而樁基1、鋼前撐的彎矩逐漸增大。當(dāng)撞擊力作用于最底層鋼前撐構(gòu)件的相交截面處時(shí)，鋼前撐出現(xiàn)應(yīng)力集中，原因是：第一，橫向排架下面只焊接在鋼護(hù)筒表面上的鋼橫撐沒(méi)有起到足夠、有效傳導(dǎo)排架低水位作業(yè)時(shí)的水平撞擊荷載的作用，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，沒(méi)有完全與整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)形成一個(gè)結(jié)構(gòu)整體；其二，前排樁基與后排樁基在撞擊力低水位處無(wú)聯(lián)系構(gòu)件，建議以后在該類型碼頭設(shè)計(jì)時(shí)，在此高程處增加一排鋼聯(lián)系構(gòu)件。此外，鋼橫撐不起作用主要是由于鋼橫撐與橫向聯(lián)系梁的剛度不協(xié)調(diào)所致，橫向聯(lián)系梁較鋼橫撐的剛度過(guò)大，建議以后可以在碼頭樁基處設(shè)立樁帽，連接橫向聯(lián)系梁和下部結(jié)構(gòu)，有效減少剛度差，從而使得整個(gè)碼頭更加穩(wěn)定。

2 碼頭下部結(jié)構(gòu)可靠度分析

2.1 可靠指標(biāo)分析

可靠指標(biāo)分析采用Monte Carlo法，首先對(duì)影響可靠度的隨機(jī)變量進(jìn)行大批隨機(jī)抽樣，然后把這些抽樣值一組一組地代入研究構(gòu)件的功能函數(shù)中，統(tǒng)計(jì)出令結(jié)構(gòu)失效的樣本數(shù)目，從而求得結(jié)構(gòu)失效的頻率。本文的隨機(jī)變量在材料方面考慮C30混凝土彈性模量、Q235A鋼材彈性模量、Ⅱ級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)度，在受力方面考慮船舶撞擊力（各隨機(jī)變量的分布類型及統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1），將模型進(jìn)行10萬(wàn)次的仿真循環(huán)，繪出下部結(jié)構(gòu)中前排樁基（樁基1）、鋼橫撐、鋼前撐的隨機(jī)變量樣本曲線圖，如圖 4（a）、（b）、（c）所示。根據(jù)失效概率公式[4]Pf=φ（-β），求出碼頭下部結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)，見(jiàn)表2（其中置信度水平為0.95）。

表1 隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表Table1 Thestatistic data of random variables

圖4 樣本曲線圖Fig.4 Sample curves

表2 碼頭下部結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)Table2 The reliable indicator of thewharf'ssubstructure

從表2中可以看出，所有構(gòu)件的可靠指標(biāo)均大于3.5，滿足規(guī)范[5]的要求。前排樁基的可靠指標(biāo)比后排樁基的可靠指標(biāo)小，在設(shè)計(jì)該類碼頭樁基構(gòu)件時(shí)，建議加大前排樁基的直徑，從而增加碼頭結(jié)構(gòu)的安全可靠性。當(dāng)撞擊力的位置在低水位處，鋼前撐的可靠指標(biāo)最小，可靠指標(biāo)值為4.186，從可靠度的角度驗(yàn)證了前面靜力分析結(jié)果，表明當(dāng)撞擊力處于低水位時(shí)，鋼前撐會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，需強(qiáng)化構(gòu)件設(shè)計(jì)，對(duì)該構(gòu)件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以保證整體碼頭的安全性。此外，鋼橫撐的可靠指標(biāo)均大于8，說(shuō)明其可靠度遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，從構(gòu)件正截面抗彎承載能力角度來(lái)說(shuō)，該構(gòu)件具有較高的安全性，可考慮進(jìn)行構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)處理，在滿足規(guī)范要求的前提下，找到構(gòu)件的最優(yōu)尺寸，提高構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)合理性，減小工程投資。

2.2 靈敏度分析

靈敏度分析主要是對(duì)隨機(jī)變量的敏感性分析，評(píng)價(jià)模型中隨機(jī)變量對(duì)構(gòu)件的影響，由此提出構(gòu)件的隨機(jī)變量的選取。如果計(jì)算出對(duì)某隨機(jī)變量的反應(yīng)十分敏感（即該變量有較小的變動(dòng)，就會(huì)對(duì)結(jié)果反應(yīng)產(chǎn)生較明顯的影響），則在構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)該嚴(yán)格控制該參數(shù)，確保整體結(jié)構(gòu)的可靠性；如果對(duì)某隨機(jī)變量的反應(yīng)不敏感，則在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以當(dāng)作常量對(duì)待[6]。由結(jié)構(gòu)靜力分析與可靠度分析結(jié)果得知，當(dāng)處于高水位撞擊力時(shí)，橫向排架的下部結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件處于不利狀態(tài)，故建立組合一情況下的ANSYS可靠度循環(huán)分析文件（其中樁基是以彎矩效應(yīng)的計(jì)算結(jié)果來(lái)表示其可靠度，而鋼橫撐和鋼前撐是以其截面最大正應(yīng)力是否達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度建立的功能函數(shù)的計(jì)算結(jié)果來(lái)表示其可靠度），輸入隨機(jī)變量，進(jìn)行靈敏度分析，由于本文篇幅有限，故在此只列出前排樁基（樁1）、鋼橫撐及鋼前撐的靈敏度分析圖，如圖5（a）、（b）、（c） 所示。 其中圖例ZJ代表撞擊力，JBHZ代表均布荷載，KQF代表鋼構(gòu)件的屈服強(qiáng)度，KZJM代表樁基的最小控制彎矩，MJHZ代表門(mén)機(jī)荷載，F(xiàn)1代表前邊梁和護(hù)輪坎的自重按照簡(jiǎn)支梁計(jì)算傳遞至橫梁的作用力，F(xiàn)3表示普通縱梁的自重按照簡(jiǎn)支梁計(jì)算傳遞至橫梁的作用力。

圖5 靈敏度分析圖Fig.5 The sensitivity analysis

由靈敏分析圖可以看出撞擊力對(duì)樁基的彎矩效應(yīng)的影響大大超過(guò)了其他荷載的影響，特別是樁基1的可靠性對(duì)撞擊力十分敏感，在碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)宜加大前排樁基直徑。影響鋼橫撐、鋼前撐的功能函數(shù)因素主要是自身材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明其主要影響因素是自身材料的抗力，撞擊力對(duì)其可靠性的影響也較大，特別是鋼前撐。

2.3 散點(diǎn)圖分析

散點(diǎn)圖分析用于評(píng)估任意兩個(gè)隨機(jī)變量（輸入變量或者輸出變量）之間的分布關(guān)系，驗(yàn)證模型中使用的樣本點(diǎn)是否符合用戶需要得到的相關(guān)特性，因此繪制最重要的隨機(jī)變量之間散點(diǎn)圖，是為了更好地提高工程結(jié)構(gòu)的可靠性，故在撞擊力組合一的條件下，列出下部結(jié)構(gòu)前排樁基（樁1）、鋼橫撐、鋼前撐的散點(diǎn)圖分析圖，見(jiàn)圖6（a）、b）、（c）。

由圖6可以看出，樁基的撞擊力與彎矩效應(yīng)散點(diǎn)圖中，L1的斜率約等于1，表明樁基的彎矩效應(yīng)基本上都是由撞擊力產(chǎn)生，其他荷載作用對(duì)其的彎矩效應(yīng)影響微乎其微。鋼橫撐和鋼前撐的撞擊力與功能函數(shù)散點(diǎn)圖中，L2、L3斜率遠(yuǎn)小于1，說(shuō)明撞擊力對(duì)鋼橫撐和鋼前撐可靠性影響小，結(jié)合前面靈敏度結(jié)果分析，認(rèn)為鋼橫撐及鋼前撐的可靠度主要受自身材料屈服強(qiáng)度的影響。

圖6 散點(diǎn)圖分析圖Fig.6 The scatter analysis

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析及論證，本文可得出以下結(jié)論：

1）碼頭橫向排架靜力分析中，在低水位撞擊力處，鋼前撐出現(xiàn)應(yīng)力集中，主要是由于鋼橫撐沒(méi)有有效傳導(dǎo)水平撞擊荷載，并且前排樁基與后排樁基在此高程處無(wú)橫向聯(lián)系構(gòu)件，建議在設(shè)計(jì)時(shí)可以在此高程處增加一排鋼聯(lián)系構(gòu)件。此外，在碼頭樁基處設(shè)立樁帽，減少橫向聯(lián)系梁和下部結(jié)構(gòu)的剛度差，可使整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)的受力更加均衡。

2） 結(jié)合ANSYS有限元技術(shù)與Monte Carlo法對(duì)碼頭樁基、鋼橫撐及鋼前撐進(jìn)行可靠指標(biāo)分析，結(jié)果表明所有構(gòu)件滿足規(guī)范要求，但其中樁基和鋼橫撐可靠指標(biāo)普遍偏高，可以對(duì)其進(jìn)行構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小工程投資，此外鋼前撐的可靠指標(biāo)值最?。ㄌ貏e是撞擊力作用于低水位處），需強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)該構(gòu)件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以保證整體結(jié)構(gòu)的安全性。

3）通過(guò)對(duì)樁基、鋼橫撐及鋼前撐的靈敏度與散點(diǎn)圖分析，表明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮材料性能、幾何尺寸、荷載作用等因素，嚴(yán)格按照這些因素的概率分布類型標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行取值，以便判定結(jié)構(gòu)的可靠度是否滿足規(guī)范的要求。

4）考慮鋼護(hù)筒與鋼筋混凝土接觸的處理，鋼護(hù)筒與橫縱向聯(lián)系撐的連接以及確定鋼護(hù)筒底位移變化等問(wèn)題，建立數(shù)值模型時(shí)可能有些參數(shù)設(shè)置不精確使結(jié)論有不足，望以后深入研究。

[1] 王多垠，宋成濤，溫焰清，等.三峽庫(kù)區(qū)變動(dòng)回水區(qū)架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)形式研究[J].水運(yùn)工程，2011（3）：54-58.WANG Duo-yin,SONG Cheng-tao,WEN Yan-qing,et al.On overhead wharf structureal pattern in fluctuating backwater area of Three Gorges Reservior area[J].Port&Waterway Engineering,2011(3):54-58.

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