墩柱梁板式码头结构在三峡库区的破坏分析

叶晨茂，王多银，2，汪霏

（1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；2.重庆市航运中心，重庆 400074；3.重庆建筑工程职业学院，重庆 400072）

三峡成库后，水深加大，险滩消失，内河码头的通航条件得到了极大的改善。为了适应库区新的水文条件，同时为了打破内河码头利用枯水期施工的束缚，提出了针对库区回水变动段的“大桩柱、大跨度”的码头结构形式[1]。该码头结构虽然曾有不少研究，但是针对这种“大桩柱、大跨度”码头的破坏研究甚少。本文以成库后新建的重庆市主城港区纳溪沟码头为依托，对该结构中的靠船墩进行数值模拟分析，预测靠船墩结构的开裂荷载和水平极限承载能力值，以及在最不利荷载工况作用下，结构的破坏形式及裂缝在码头结构当中的发展过程。

1 码头概况

重庆市纳溪沟码头位于长江寸滩水文站下游5.5 km河道右岸，建设4个3000吨级泊位，1号、2号泊位采用分级直立式下河公路形式，3号、4号泊位采用直立岸壁、单跨桥吊墩式结构，占用岸线610m。该码头平台长度233.4m，宽度41.75m，水工建筑物采用墩柱框架码头结构形式，码头平台前沿由6个靠船墩（兼系船）及16个直径为3m的圆形支撑墩组成，平台中间采用22个直径3m的圆形支撑墩，后方则由6个矩形支撑墩（4个长×宽=4.4m×3.2m，2个长×宽=6.0m×3.2m）和16个圆形支撑墩组成。2号和5号靠船墩（靠船墩1），承台的大小：长×宽×高=9.8m×8.6m×3m，其下面的桩基是由2根φ1800mm和3根φ1500mm的钢筋混凝土嵌岩钻孔桩组成，后方矩形支撑墩下面的桩基则是采用5根φ1200mm的钢筋混凝土嵌岩钻孔桩构成；其余靠船墩（靠船墩2）前方承台的大小：长×宽×高=9.6m×6.9m×3m，其下面的桩基则是采用5根φ1500mm的钢筋混凝土嵌岩钻孔桩，后方矩形支撑墩下面的桩基则是由4根φ1200 mm的钢筋混凝土嵌岩钻孔桩构成[2]。靠船墩的设置有利于提高码头的排架间距，且在船舶的靠泊过程中，船舶荷载主要作用在靠船墩上，在保护了大桩柱的同时也避免了直接承受船舶的撞击。由于该结构形式的码头研究不多，因此，有必要针对该结构的破坏模式展开研究与分析。

2 有限元模型的建立

对于这种靠船墩形式的码头结构，不能再采用以往针对已建的架空直立式码头结构中广泛采用的杆件系统进行模拟分析。根据其受力特性，采用实体结构与梁单元相结合的方法来模拟该码头结构。对于靠船墩、后方支撑墩以及承台结构采用3D实体单元（Solid65单元），横梁、横撑、人字撑以及桩采用3D梁单元（BEAM189单元）。当不同种类单元的自由度相同时，采用共用节点即可；而当不同种类单元的自由度不同时，则需要建立“约束方程”[3]。在ANSYS中，其特有的BEAM189梁单元为三节点等参单元，每个节点具有 6 个自由度：Ux，Uy，Uz，ROTx，ROTy，ROTz；而其特有的SOLID65单元为八节点等参单元，每个节点具有3个自由度：Ux，Uy，Uz。所以，3D梁单元与3D实体单元在连接时，共用节点使其连接为铰接，若要刚性连接可通过建立约束方程、设置刚性区、MPC184刚性梁等方法实现。在该码头结构的模型建立当中，采用的是自动建立约束方程来模拟两种单元刚接处。桩的计算长度根据嵌固点法确定，桩端约束所有自由度。由于两种靠船墩的结构形式类似，故本文仅对2号（5号）靠船墩进行数值模拟分析，其有限元模型如图1所示。

图1 靠船墩有限元模型Fig.1 Finite element model of dolphin

3 荷载工况组合

3.1 码头结构作用的恒载

1）靠船墩、支撑墩、承台、横梁、桩、横撑、人字撑等构件的自重可在ANSYS中设置参数后自动施加（取g=9.8 m/s2），密度ρ=2500 kg/m3。

2）面板传给横梁的自重，面板按简支板计算，直接作用在横梁上的均布荷载：q1=0.5×11×25=137.5 kN/m。

3）前后边梁、普通纵梁、轨道梁、钢质轨道自重以集中力施加于其所在位置节点上，其值分别为：

前后边纵梁：P1=1.32×11×25=363 kN（横梁前段，11m长计，S=1.32m）；

轨道梁：P2=3.66×11×25=1006.5 kN（11m长计，S=3.66m）；

普通纵梁：P3=2.16×11×25=594 kN（11m长计，S=2.16m）；

钢质轨道自重：P4=5 kN。

3.2 可变作用产生的作用效应

1）集装箱装卸桥（岸吊）

图2 集装箱装卸桥计算图Fig.2 Calculating chart of Container Bridge

集装箱装卸桥产生的作用由轨道梁传给横梁，轨道梁按简支梁计算（图2），其反力为：

前轨V1=2148 kN；后轨V2=2148 kN。

V1=V2=2P[11×8-（6.4+5.5+4.6+3.7+2.7+1.8+0.9）]/Ln=2148 kN

式中：P为最大轮压，250 kN；Ln为计算跨径，11 m。

2）水平力荷载

对于水平作用力，本文主要考虑的是水平撞击力的作用。因此，根据作用在靠船墩不同层的系船梁的位置分9种工况，如图3所示，撞击力取值为1030 kN。

图3 靠船墩撞击力计算工况Fig.3 Calculated work condition of dolphin impact

3）堆荷

堆荷为30 kN/m2，经由面板传递给横梁，其计算值为：q2=11×30=330 kN/m。

4 非线性分析中的计算设置

对于靠船墩钢筋混凝土结构采用Solid65单元进行模拟。Solid65单元破坏面采用改进的William-Warnke五参数破坏曲面，对于材料的计算设置当中，采用Mises屈服准则和多线性等向强化模型（MISO）。

对于混凝土的应力-应变关系采用 Mander等[4-5]建议的本构关系进行计算：

混凝土开裂准则为Rankine准则，当达到材料的最大拉应力时，混凝土发生开裂，拉应力的松弛系数考虑0.6；混凝土发生开裂后，当应变软化到开裂应变的6倍后，应力为0[6]。开裂后，混凝土的闭合裂缝和张开裂缝剪力传递系数分别为0.5和 0.95。

5 计算结果分析

5.1 水平撞击力作用下荷载位移曲线

按照码头结构的撞击位置，将撞击力分为9种分析工况（如图4所示），以码头平台面前沿线的角点为位移观测点。计算得到有限元计算的荷载-位移曲线见图4。

图4 靠船墩荷载-位移曲线Fig.4 The load-displacement curve of dolphin

从图4中可以得到以下结果：

1）当荷载作用在高水位时（即撞击工况一），结构位移值最大，当结构作用在低水位时（即撞击工况九），此时位移最小。在大小相同的撞击力作用下，当撞击力作用的位置越高，其位移越大。因此，撞击工况一为9种撞击工况当中的最不利的荷载工况。

2）从图4可以看到，靠船墩结构的荷载-位移曲线成线性关系，表示在撞击力（F=1030 kN）的作用下，结构当中的各个构件处于弹性阶段内。

5.2 位移加载工况下荷载位移曲线

在撞击力作用时，码头各个构件为弹性应力状态，为了更加清楚地了解靠船墩结构在水平力作用下的破坏过程，采用在水平撞击力处施加位移荷载，得到了等位移荷载作用下的极限承载力值。图5为靠船墩结构的位移曲线图。

图5 靠船墩在位移控制作用下荷载-位移曲线Fig.5 The load-displacement curve of dolphin under the effect of displacement control

从图5中可以观察到：

1）随着撞击高度的增大，靠船墩结构的极限承载能力值逐渐减小。对该结构而言，当撞击高度在结构的最高层时（即为撞击工况一），为其最不利撞击工况。

2）对同一个靠船墩结构而言，随着高度的变化，每一种撞击工况之间的极限承载能力值的大小变化幅度在10%以内。表明该结构的整体刚度好，整体稳定性高。

5.3 最不利撞击工况下的破坏模拟

1）靠船墩结构在最不利撞击作用下的计算结果

由上一节的计算中得到，撞击工况一的水平极限承载力最小，为9种工况当中最不利荷载工况。其荷载位移曲线见图6。

图6 靠船墩在最不利荷载工况下荷载-位移曲线Fig.6 The load-displacement curve of dolphin under the most unfavorable load condition

从结构的荷载-位移曲线中可以清楚地看到，结构的整体变形过程可以分为3个阶段：弹性阶段—弹塑性阶段—塑性阶段。其中，从原点到A点为弹性应力阶段，当荷载的大小值达到了A点时，靠船墩结构当中出现了第一条裂缝，当超过A点以后，结构进入了弹塑性阶段，结构仍然能够承受外荷载，直至达到结构的极限荷载值C点。在图6中由有限元计算所得到的荷载-位移曲线没有下降段，这是因为在有限元的计算设置当中，混凝土的本构关系所采用的是约束混凝土的本构关系，因此，所得到的曲线当中并没有下降段。

2）靠船墩结构破坏形态的模拟

在有限元的计算过程中，为了得到收敛的计算结果，在计算设置中关闭了混凝土的压碎选项，在靠船墩结构的破坏图中仅仅以开裂体现，在ANSYS有限元软件当中，采用的是红、绿、蓝3种颜色的小圆圈表示混凝土单元积分点处的3个开裂面。利用有限元软件得到靠船墩结构在不同的受力阶段下的破坏形态及发展过程，其在最不利撞击工况下的应力云图和最终破坏如图7、图8所示。

图7 靠船墩最不利撞击工况下的应力云图Fig.7 The stress nephogram of dolphin under the most unfavorable impact condition

图8 靠船墩最终破坏图Fig.8 The ultimately damage of dolphin

对于靠船墩结构而言，结构中最先发生开裂的部位为靠船墩墩身底部与桩相互连接的部位，横撑与人字撑同样也是结构中容易开裂的构件，在工程设计中可考虑加大构件断面尺寸，裂缝在靠船墩结构中发展的趋势大致为：靠船墩承台底部与桩相互连接部位；随着荷载增加，裂缝在靠船墩承台当中沿承台的宽度、高度方向发展，同时，横撑和人字撑的端部产生裂缝；到了破坏末期，靠船墩承台高度方向裂缝几乎布满，后方支撑墩承台中的裂缝杂乱无章，该区域混凝土被压碎。

6 结语

本章利用复合材料细观力学理论所得到的弹性模量值，对码头结构中的靠船墩结构建立了有限元模型，对各个有限元模型进行了非线性分析，得到了靠船墩结构在水平荷载作用下的受力情况，描绘出了对应不同的撞击位置的荷载-位移曲线，通过分析得到了其最不利荷载工况，着重分析了在最不利荷载工况下的破坏形态。主要得到以下几点结论：

1）在撞击力荷载（F=1030 kN）作用下，码头结构处于弹性应力阶段，表明该码头结构具有足够大的刚度。随着撞击荷载作用位置的增大，码头结构的位移变化越大，因靠船墩结构的刚度较大，其位移变化值偏小。

2）通过施加等位移荷载作用，得到了靠船墩结构的水平极限承载能力值。随着撞击高度的增加，结构的水平极限承载能力值减小，当撞击力作用在靠船墩结构的最高层时，为结构的最不利撞击工况。

3）在最不利荷载作用下，通过分析得到了靠船墩的破坏形态和裂缝的发展过程。

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