底梁式全直桩高桩码头水平力作用下的特性分析

1、底梁式全直桩高桩码头水平力作用下的特性分析刘晓平,凌威,林积大,周俊,陈亚娇(长沙理工大学水利工程学院,湖南长沙410076摘要:全直桩高桩板梁式码头结构整体刚度较小,抵抗水平荷载的能力较差,为改善其不足,提出了底梁式全直桩高桩板梁码头结构型式。文中运用有限元方法,并选用非线性钢筋混凝土结构为计算模型,分别对有无底梁的全直桩高桩码头结构在水平力作用下结构的变形及内力特征进行了计算分析比较。结果表明:全直桩高桩码头结构由于设置了底梁后,结构整体刚度增大,其抗水平能力大幅度提高。关键词:全直桩高桩码头;有限元法;材料非线性;底梁式中图分类号:U 656.11文献标志码:A文章编号: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作者简介:刘晓平(1956,男,江苏泰州人,教授,主要从事港口、航道及近海工程研究。引言全直桩高桩板梁式码头具有对河道泄洪影响较小、结构简单、施工方便等优点。但在水位变幅较大的内河码头,如果采用这种码头结构型式,则由于码头结构高度大,横向刚度较小,抵抗水平荷载的能力较差。针对这一问题,设计人员提出在接近地面处的桩基上设置一层底纵横梁,即底梁。这种结构一方面保持了全直

7、桩结构的特点;另一方面,底梁的设置加强了码头结构的整体性,提高了结构承受水平荷载作用的能力,改善了全直桩结构的不足。本文以某内河码头为例,应用有限元模型,分别对全直桩高桩码头和底梁式全直桩高桩码头进行计算、分析,比较结构的变形、位移、内力等特点。图1和图2分别为无底梁全直桩高桩板梁式码头和底梁式全直桩高桩板梁式码头结构断面图。图1全直桩高桩板梁式码头结构断面图立柱靠船梁靠船立柱桩桩帽顶横梁图2底梁式全直桩高桩板梁式码头结构断面图靠船梁靠船立柱立柱底纵梁桩桩帽底横梁顶横梁中国港湾建设China Harbour Engineering2012年4月第2期总第179期Apr .,2012Tot al

8、 179,N o.22012年第2期中国港湾建设1模型建立1.1结构模型的建立该码头结构为钢筋混凝土结构,在ANSYS 有限元软件中模型选用SOLID65单元,该单元能够模拟混凝土材料的非线性特性以及混凝土的开裂情况,钢筋的应力应变关系采用双线性等向强化模型BISO 模拟,应力-应变曲线如图3(a 所示。混凝土按规范2中混凝土单轴应力-应变关系公式可得到其应力-应变关系曲线如图3(b 所示。钢筋混凝土结构中,钢筋的弹性模量为2105MPa ,泊松比为0.3,抗压及抗拉强度均为310MPa ;混凝土的弹性模量为3104MPa ,泊松比为0.2,抗压强度为14.3MPa ,抗拉强度为1.43MPa

9、 ,钢筋混凝土的密度为2500kg/m 3。1.2荷载施加该码头设计停泊船型为1000吨级件杂货船,根据船舶撞击力设计值以及码头防冲设备的力学性能曲线可得到码头水平撞击荷载为300kN 。考虑最不利撞击位置,将水平力作用在第一榀排架上层靠船梁和靠船立柱的连接点上,此时结构的抗水平极限荷载能力最小3。2计算结果分析2.1结构的位移与变形情况靠近河侧立柱的水平位移值能够反映出结构的位移情况,比较两种结构各个排架靠近河侧的立柱顶部的水平位移值。将第一榀排架中靠近河侧的立柱命名为立柱1,第二榀排架的命名为立柱2,以此类推到立柱5。计算所得的水平位移值如表1所示。无底梁结构立柱顶部位移值比有底梁结构的大

10、10倍左右,分析其原因,无底梁结构的变形比有底梁结构的变形更为明显,部分立柱的两端产生塑性变形(图4阴影部分所示,有底梁结构的变形均在弹性范围内(图5,因此它的水平位移值较小。三维坐标系中坐标轴如图4所示:以顺水流方向为Z 正向,垂直水流并指向陆侧为X 正向,竖直向上方向为Y 正向。2.2内力对比分析为了解有无底梁的结构立柱内力的变化规律,选择立柱1的顶部、底部和中间三个部位的应力进行比较。在计算模型中,立柱发生屈服可能是由于弯曲作用下其正应力值或者剪应力值过大,因此选择最大正应力1及最大剪应力max 进行比较见表2。分析可知:对于最大剪应力,在立柱顶部和底部,无底梁结构比有底梁结构的max

11、大1.21.3MPa 左右;在立300250200150100500应力/G P a1612840应力/M P a2.5应变/10-3(b图3材料应力-应变曲线图4无底梁码头结构变形示意图图5底梁式码头结构变形示意图表1立柱顶部水平位移值对比2.821.20.5-0.3mm XY Z3应变/10-312应力结构部位1.641.010.98表2立柱1应力值对比MPa(下转第69页XY Z142012年第2期柱的中间部位,相比无底梁结构,有底梁的水平力分散到位置更低的部位进行传递,减小了立柱两端的最大剪应力,其剪切变形也明显减小(图4、图5。对于最大正应力,有底梁结构比无底梁结构在顶部和中部均有所

12、增大,而底部的变化较小。这是因为增加底横梁后,一部分内力要通过立柱传递到底横梁上,使得立柱顶部到中间位置这一段的正应力值增大。当水平力施加到无底梁结构控制点时,在第一榀排架上出现裂缝,裂缝位于立柱的两端(图6所示。而当水平力施加到有底梁结构的控制点上,整体结构均未出现裂缝。3结语通过比较在水平力下有无底梁时码头结构的特性可知:底梁的设置减小了结构的位移,水平力的传递从之前的单一通过顶梁传递转变成了顶梁与底梁共同传递,水平力分散到更低位置进行传递,限制了立柱两端的变形,减小了其内力。因此,底梁的增加使其整体刚度增大,大幅度地提高了结构的抗水平能力。参考文献:1卢陈.底梁式全直桩高桩码头水平受力分

13、析D.长沙:长沙理工大学,2010.2GB 500102002,混凝土结构设计规范S.3张华平.大水位差全直桩框架码头结构水平荷载性能研究D.重庆:重庆交通大学,2009.4邓方明,王多垠.架空直立式码头结构三维数值塑性破坏分析J.中国港湾建设,2009(6:9-11.5王新敏.ANSYS 工程结构数值分析M.北京:人民交通出版社,2007.6佟洪江.钢筋混凝土构件的非线性分析D.大连:大连理工大学,2009.图6第一榀排架各构件裂缝示意图顶横梁靠船立柱立柱1YX!(上接第14页衡,实现可持续发展。志谢:衷心感谢中国水产科学研究院东海水产研究所的陈亚瞿教授和施利燕同志在渔业资源影响评估方面给予

14、的悉心指导。参考文献:1沈国英,施并章.海洋生态学M.2版.北京:科学出版社,2002:421.2毛文永.生态环境影响评价概论M.修订版.北京:中国环境科学出版社,2003:312-313.3王云龙,成永旭,徐兆礼,等.长江口疏浚土悬沙对中华绒螯蟹幼体发育和变态的影响J.中国水产科学,1999,6(5:20-23.4徐兆礼,许加武,袁骐,等.长江口疏浚泥浸出液、悬浮液对浮游生物的影响J.中国水产科学,1999,6(5:29-32.5徐兆礼,沈新强,陈亚瞿.长江口悬沙对牟氏角毛藻(Chaetoceros Muelleri 生长影响J.海洋环境科学,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,徐兆礼.底泥悬浮物对水生生物的影响J.上海水产大学学报,2000,9(1:65-67.8贾晓平.海洋水产科学研究文集M.广州:广东科技出版社,2000:242-250.9SC/T91102007,建设项目对海洋生物资源影响评价技术规程S.10沈新强,丁跃平,袁骐.海洋溢油事故对天然渔业资源损害评估J.海洋环境科学,1986,5(3:52-63.11万邦和.海洋石油污染及其危害J.海洋环境科学,1986,5(3:52-63.12刘霜,张继民,刘娜娜,等.填海造陆用海项目的