重力式码头抗滑稳定性可靠度分析

徐文广

（泗阳县交通局，江苏 泗阳 223700）

1 引言

近十几年来，结构可靠性理论及其应用得到了迅速发展，“可靠性设计”的概念己普遍为工程设计人员所接受，世界上很多国家都制定了以可靠性理论为基础的结构设计标准或规范。1998年，国际标准化组织正式颁布了《结构可靠性总原则》第二版，这是一个指导世界各国编制或修订概率极限状态设计标准或规范的一个国际性文件。参照这一标准，我国的《建筑结构可靠度设计统一标准》已修订完毕并己颁布执行。

2 影响可靠度的因素

港口工程结构设计影响的因素太多，仅荷载就有数十种之多;短期内要进行调查、勘测、统计是不可能的。如码头面堆货荷载、门座起重机轮压、波浪力和土压力等，是码头和防波堤的主要荷载，几年通过对国内海河主要港口，大量波浪测站资料和主要砂场、石场，进行了大量的调查、测试和统计分析工作，取得了十分可贵的成果;而船舶系缆力、挤靠力等，对结构设计可靠度的精度影响不是很大，以后有条件再解决。由于掌握了主要荷载和其他主要变量的统计特征和统计参数，便对编制统一标准和规范修订工作奠定了较好的基础。而对一些次要荷载和基本变量拟扔主要依据经验或仍按定值考虑，可不影响标准规范的必要精度。

沿海、内河环境条件极为复杂，全面查清其设计特性，非短时间所能办到，如此求得的可靠度是否可靠?对此问题，一致的看法是前面实现概率设计，需要较长的过程，需要分步骤进行。目前采用的以分项系数表达的概率极限状态设计法，以后逐渐向直接的概率极限状态设计过渡。现阶段这样做的优点是:在掌握了主要的基本变量的统计特征的基础上，运用可靠度理论校准了按现行设计相近的分项系数表达式，既便于与现行设计方法相比较，也易为广大设计人员接受。统一标准所规定的目标可靠指标，总体上与现行设计的可靠度水准相当，对个别不合理的有所调整，根据长期的实践经验，应认为其可靠性是有保证的。

3 重力式码头可靠度分析

重力式码头的结构形式主要决定于墙身结构。按墙身的施工方法可分为干地现场浇注的结构和水下安装的预制结构。按墙身结构，重力式码头可分为方块码头，沉箱码头，扶壁码头，大圆筒码头，格形钢板桩码头，干地施工的现浇混凝土和浆砌石码头等。

沉箱是一种巨型的有底空箱，箱内用纵横隔墙隔成若干舱格。沉箱码头水下工作量小，结构整体性好，抗震性能强，施工速度快，但其耐久性不如方块码头，需要钢材多，需要专门的施工设备和合适的施工条件。一般在当地有可用于预制沉箱的设施或工程量大，工期短的大型码头选用沉箱结构。沉箱按平面形式可分为矩形和圆形两种。圆形沉箱受力情况较好，一般按构造配筋，用钢量少，箱内可不设内隔壁，既省混凝土又大大减轻沉箱的重量;环形箱壁对水流的阻力小。其缺点是模板比较复杂，一般适用于墩式栈桥码头，特别是水流流速大，冰凌严重或波浪大的地区。矩形沉箱的制作比较简单，浮游稳定性好，施工经验成熟，一般适用于岸壁式码头。矩形沉箱的断面形式又分为对称式和非对称式两种。对称式构造简单，便于预制，浮运和安放，是主要采用的断面形式。非对称式虽能节省混凝土，但制作麻烦，采用较少。

3.1 可靠度分析的基本思路

为了确保重力式码头的安全性，必须对抗滑稳定性进行可靠度的分析，保证其可靠指标大于规范规定的指标值。影响结构构件抗力的主要因素是材料性能，几何参数和计算模式，它们都是随机变量。港口工程结构设计的影响因素有很多，但是根据目前的条件，只能对可靠度影响较大的因素进行分析。荷载如码头面堆货荷载，波浪力和土压力等。抗力因素包括自重力，摩擦系数及抗倾力矩计算模式等。由此可定可靠度计算中的基本变量为码头面均布荷载，波浪要素中的波高，土压力计算中的土的重度和内摩擦角及码头自重力，摩擦系数，抗倾力矩计算模式等。

3.2 功能函数

在可靠度分析中，需要确定一个功能函数

式中，R为结构的抗力效应，S为荷载效应。

在不同的可靠度计算公式中，R和S又都有着不同的意义。对每种组合情况都需作抗滑稳定性和抗倾稳定性的可靠度计算。

在持久组合抗滑稳定性计算中:

式中，G为结构自重；Ev为土压力引起的竖向作用；Eqv为堆货荷载引起的竖向作用；PBU为垂直波浪力；EH为土压力引起的水平作用；EqH为堆货荷载引起的水平作用；PB为波浪压力引起的水平作用。

根据Turksrta组合规则可知，在可靠度分析中，主导可变作用的基准期取50年，而非主导可变作用的基准期取为1年，在无法判断其孰为主导而孰为非主导时，可逐一确定各个作用为主导作用然后分别求其可靠指标，以较小者为最后所求值。当随即变量的基准期分别取为50年和一年时，其平均值的大小是有所不同的，因为可变作用的分布一般均服从极值I型分布，故在此给出极嘟型分布的参数转化公式。

为确定随机变量SQT的概率分布函数，将设计基准期T分为m个相等的时段，每个时段的长度为τ=T/m。通过统计分析确定时段τ内荷载效应最大值SQi的概率分布函数FSQτ(x)。于是，按照极值统计学的原理，设计基准期T内最大荷载效应SQT的概率分布函数为

则SQT也服从极傲型分布，其概率分布函数中的参数αT和μT式中αT，μT概率分布函数中的参数，μT为设计基准期为T的随机变量的平均值；

由以上公式可知，当已知服从极值I型分布某随机变量的基准期为一年的各参数值即可求得其基准期为50年的参数值，反之亦然。

3.3 可靠度分析方法

沉箱码头的可靠度分析需要考虑三个方面的问题。

前面介绍了沉箱码头的结构和受力特点，可知沉箱码头的抗滑稳定性考虑的荷载主要包括沉箱自重力，填料土压力，堆货荷载产生的土压力，门机荷载产生的土压力，贮仓压力，系缆力及波浪力。其中以沉箱自重力的竖向作用为可靠度分析的抗力效应，以土压力的水平分力为荷载效应。

沉箱码头的荷载效应S和抗力效应R的表达式均比较复杂，利用求导数的可靠度分析方法比较困难。故在此，本章亦采用不使用导数的一般计算方法，编制程序进行计算。

对于沉箱码头结构，荷载效应计算中涉及堆货荷载和波浪力可变荷载的组合，由于设计使用期两种荷载同时达到最大值的可能性极小，所以需考虑两种可变荷载的概率组合。

4 结束语

在沉箱码头的抗滑稳定性可靠度分析中，如果按照满足规范最小要求来设计沉箱尺寸的话，其可靠指标偏小，不能满足规范所要求的可靠指标的大小。所以这种边界设计并不能满足要求。如果通过增大沉箱宽度至在所有的组合情况下均能满足抗力大于荷载，此时持久组合的可靠指标均能满足要求，但短暂组合仍不能满足。由此可知，短暂组合可作为沉箱码头可靠度计算的控制组合。

[1]董聪.现代结构系统可靠度理论及应用.北京:科学出版社.2001.

[2]王显利.工程结构可靠度分析方法综述.北华大学学报.2003.

[3]邓子胜.工程结构可靠度设计的研究与应用进展.五邑大学学报.2001.