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两种20万吨级分离卸荷式板桩码头对比研究,汇报人：孙瑞瑞硕士研究生导师：陈国兴教授2018年1月27日,目录,问题背景模型参数及模型建立计算结果与分析下一阶段工作计划,一、问题背景2013年9月和10月，中国国家主席习近平在出访中亚和东南亚国家期间，先后提出共建“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的重大倡议，得到国际社会高度关注。为推动“一带一路”建设，我国重点布局15个港口。规划强调，加强上海、天津、宁波-舟山、广州、深圳、湛江、汕头、青岛、烟台、大连、福州、厦门、泉州、海口、海口、三亚等沿海城市港口建设。,众多调查表明，地震是码头结构主要破坏原因之一，关于其报道屡见不鲜。,板桩码头以其结构简单、材料用量省、施工方便、对复杂地质条件适应性强等特点得到了越来越广泛的应用。船舶吨位与吃水深度关系：1万吨级8.3m3万吨级11.0m5万吨级13.0m10万吨级15.5m20万吨级18.0m30万吨级24.0m50万吨级30.0m以上板桩一般只适用于中小型码头，近年来随着板桩新结构型式的开发（遮帘式、分离卸荷式等），板桩码头满足了港口建设大型化、深水化的要求。,图2板桩码头结构示意图,分离卸荷式板桩码头分离卸荷式板桩码头结构主要有前墙、锚碇墙、拉杆以及卸荷平台体系组成。通过卸荷平台体系承载码头上部结构荷载及灌注桩的挡土作用，达到减小前墙土压力，加大港池的开挖深度的效果。目前这种板桩码头结构已经在唐山港区成功应用于10万吨级码头，效果良好。对于20万吨级码头，海侧与陆侧整个高差接近24m。为了将板桩码头由10万吨级提高到20万吨级，根据荷载分担机制，两种设计方案被提了出来，即刚性较大的T型地连墙方案和柔性的组合钢管桩方案。,图3分离板桩码头结构示意图,20万吨级分离卸荷式板桩码头方案1：T型地连墙方案（前墙抗弯刚度15.24GNm2/m）方案2：组合钢管桩方案（前墙抗弯刚度1.37GNm2/m）,对于这种结构型式，涉及复杂土与结构相互作用，结构内力计算比较复杂，传统的板桩码头设计规范已不适用。而卸荷承台的卸荷机理、结构的受力与变形规律等，都是卸荷式板桩码头合理选型的重要依据。此外，已有的抗震设计规范及相关研究也大多针对的是传统的单锚式板桩码头，对于这种新结构型式的动力响应研究还少有展开。因此，本文针对两种20万吨级分离卸荷式板桩码头，建立有限元数值模型，对比研究这两种方案在静力及水平地震作用下的性能表现，进一步分析其受力变形特征，为板桩码头向大型化、深水化方向结构选型提供参考。,二、模型介绍：模型以京唐港#36泊位20万吨级通用散货泊位为背景（原型的详细参数可参考文献1），经过简化并以每延米抗弯刚度相同为原则，建立二维有限元计算模型。在T型地连墙方案中，前墙厚1.82m，顶部标高+4.00m，底部标高-33.40m；海侧和陆侧桩的等效厚度为1.00m，顶部标高-0.20m，底部标高-37.40m；锚碇墙厚1.00m，顶部标高+3.5m，底部标高-15.50m；前墙与锚碇墙净距为44.0m；拉杆直径70mm。在组合钢管桩方案中，将组合钢管桩折合成同等抗弯刚度混凝土地连墙时，其厚度约为0.85m；其他规格尺寸与地连墙方案相同。作为对比，本文还研究了传统单锚式板桩码头，前墙厚度为1.00m。其他尺寸同上。,海底泥面标高为-20.00m，水面标高为0.00，码头面标高为+4.00m。模型地基被简化为5层土，从上到下依次为：细砂层、粉质粘土层、细砂层、粉土、细砂层。层厚依次为：7.04m、8.96m、9.52m、11.6m、17.12m。各种土的物理力学指标见表1。表1地基土主要物理力学指标在有限元计算中，土体采用摩尔库仑模型进行模拟。由于钢筋混凝土的模量远大于土体的模量，所以混钢筋凝土采用线弹性材料来模拟，模型参数见表2。表2码头结构部分模型参数,模型网格划分,工况介绍：在静力分析中，对整个模型施加重力荷载，前墙海侧施加静水压力，码头面均布荷载为20kPa。为了反映拉杆的实际工作状态，给其施加了50kN/m的预张拉力。混凝土与土之间设置接触面，摩擦系数为0.25。T型墙与土之间的摩擦系数根据文献2中的方法设置为0.48。抗震分析采用拟静力法，在静力计算的基础上施加水平向地震惯性力，水平地震加速度大小依次为：0.1g，0.2g和0.3g，方向指向海测。,计算结果与分析：静力部分静力荷载下潜在滑动面从图6(a)可以看出单锚式板桩码头潜在滑动面并不通过挡墙底部且滑动面已经已经与顶面贯通。从图6(b)，6(c)可以看出这两种20万吨级分离卸荷式板桩码头土体没有形成贯通顶部的潜在滑动面，但是由于组合钢管桩方案前墙较柔，前墙与海侧桩之间的土体会发生破坏的范围较大。,前墙水平位移和土压力,(a),(b),静力作用下，前墙最大水平位移大约在深15m处，向海位移分别为91.5mm、35.6mm和76.8mm。从（b）看出，由于前墙向海测凸起，墙后土体部分区域逐渐趋近主动土压力，墙前部分区域逐渐趋近被动土压力，反映了结构受力的复杂性。同时也反映了墙后桩的设置减少了前墙的土压力。,静荷载下结构弯矩,(a),(b),假设弯矩以向海侧为正，前墙最大弯矩分别为2256.14kNm、2765.48kNm，1393.0kNm/m。三种结构的前墙都存在明显的反弯点。,静荷载下结构弯矩,（a）T型地连墙方案,（b）组合钢管桩方案,由于灌注桩和承台之间是刚性连接，可能导致节点处产生较大的弯矩。所以节点设置为铰接比较合适。,计算结果与分析：水平地震拟静力法计算结果潜在滑动面（单锚式板桩码头）,（a）静力,（d）0.30g,（c）0.20g,（b）0.10g,计算结果与分析：潜在滑动面（T型地连墙方案）,（a）静力,（d）0.30g,（c）0.20g,（b）0.10g,计算结果与分析：潜在滑动面（组合钢管桩方案）,（a）静力,（d）0.30g,（c）0.20g,（b）0.10g,计算结果与分析：前墙水平位移,（a）单锚式板桩码头,（a）组合钢管桩方案,（a）T型地连墙方案,计算结果与分析：地震惯性力作用下前墙弯矩,（a）单锚式板桩码头,（c）组合钢管桩方案,（b）