基于ANSYS的重力式码头深基槽设计探讨

2017-04-24■覃琳

福建交通科技 2017年2期

关键词：基槽沉箱抛石

■覃琳

（福建省交通规划设计院，福州 350004）

基于ANSYS的重力式码头深基槽设计探讨

■覃琳

（福建省交通规划设计院，福州 350004）

重力式码头是港口工程中常用的结构型式。随着大型重力式码头基床厚度的增加，基槽开挖底宽的优化设计对节约工程造价有着重要的意义。本文的研究工作基于ANSYS有限元软件，结合工程实例，计算、分析重力式码头深厚基床应力扩散特性，对深基槽开挖底宽进行优化设计，以期为类似工程提供参考。

重力式码头深基槽基床应力扩散 ANSYS有限元软件

1 引言

重力式码头在我国港口工程中被广泛应用，其结构坚固耐用，对上部荷载和装卸工艺变化适应性强，施工工艺成熟，后期维护费用小。随着我国港口工程建设的快速发展，优良岸线资源越来越少，出现了不少在深基槽、厚抛石上建造的重力式码头。因此，深基槽开挖底宽的优化设计对节约工程造价有着重要的意义。

现行《重力式码头设计与施工规范》规定，抛石基床底宽（墙后有填土）不宜小于码头墙底宽度与2倍基床厚度之和，前趾按≥1.5d，后趾按≥0.5d（d为基床厚度，下同）。当基槽抛石较厚时，计算确定的基床底面以下的抛石体可按地基换填处理，以避免基槽因超厚基床而不合理地过度扩大底宽，增加工程费用，但规范尚未对深厚基槽下部换填基床的应力扩散特性作出明确规定。本文结合工程实例，采用ANSYS有限元软件对深厚基床的应力扩散特性进行数值模拟分析。

2 数值模拟

2.1 工程实例

（1）码头结构

福州港三都澳港区城澳作业区8#、9#泊位工程建设3.5万吨级和5万吨级通用泊位各一个，码头水工结构按可靠泊15万吨级散货船预留。码头采用大型重力式沉箱结构。码头前沿地形起伏大，基床厚度在1.5～35m之间。当基床厚度大于5m时，基床顶面以下5m范围内采用10～100kg抛石基床，基床以下为换填10～500kg块石基础，地基持力层为强风化岩或中风化岩。沉箱长×宽×高= 14.04m×15.85m×21.8m（宽度不含前、后趾，各长1.5m）。沉箱隔仓内回填10～50kg块石。沉箱上现浇C40砼胸墙，胸墙高6.5m，顶高程为+9.0m。沉箱后侧为10～100kg块石减压棱体。

（2）计算水位：采用极端高水位。

（3）工程地质

场地内地层结构自上而下依次为：淤泥、粉质粘土、淤泥质土、碎石、强风化花岗岩、中风化花岗岩等。地基持力层为强风化岩或中风化岩。

（4）荷载及组合

码头区荷载包括：结构物自重；堆货荷载30kN/m2；40t门座式起重机；船舶荷载；波浪荷载等。

为简化计算，本次研究荷载组合为永久荷载+堆货荷载+门机荷载。

2.2 有限元模型的建立

将沉箱及其内部回填料作为一个整体，视为线弹性材料。由于回填料、地基土是明显的非线性材料，沉箱后侧抛石棱体、抛石基床及地基土采用ANSYS自带的D-P

模型，模型参数如下表1所示。沉箱结构与土之间设置接触面，模拟土与结构的相互作用。码头结构沿纵向较长，属于平面应变问题，为简化计算，采用二维模型。码头面施加堆货及门机荷载。

图2 码头结构有限元模型网格划分图

表1 有限元模型参数

2.3 基于ANSYS计算结果的优化设计

2.3.1 ANSYS数值模拟结果及分析

采用ANSYS有限元软件对码头结构进行数值模拟计算，计算结果如图3～图5所示。

图3 码头结构竖向应力云图

在上部荷载和后侧土压力的作用下，沉箱结构基床顶面最大应力发生在前趾，约625kPa，沉箱结构整体沉降约37cm。

图4 抛石基床竖向应力云图

从图4、图5可以看出，沉箱前趾竖向应力向前快速减小，基底应力在前趾前方1.0d处的应力约为101kPa；沉箱结构正下方的竖向基底应力分布较为均匀；后趾竖向应力向后扩散至0.5d处的应力约为342kPa，往后基底应力分布较为均匀。数值模拟结果表明基床顶面应力向基床内部扩散范围是有限的。将基底竖向应力扣除基床自重应力的影响后，可以得出上部荷载引起的基底附加应力从前趾向前至扩散1.0d处，基底附加应力已基本消散。此外，数值模拟计算结果显示扩散后的后趾基底应力大于前趾，文献[4]的研究结果表明，由于后方堆载土压力对后趾基床竖向应力的影响，随着基床深度的增加，可能出现后趾竖向应力大的情况。

由上述分析可以得出，深基床内部附加应力扩散线如图5所示，前趾应力按1∶1向前扩散，后趾应力按1∶0.5向后扩散。

图5 换填基槽竖向应力及基床应力扩散线示意图

2.3.2 深基槽开挖底宽优化设计

数值模拟分析结果表明，深基槽内部应力扩散大致遵循以下规律：前趾应力按1∶1向前扩散，后趾应力按1∶0.5向后扩散。因此，深基槽开挖底宽可进行适当优化。基床顶面以下5m范围内抛石基床前趾应力依照规范要求按1∶1.5向前扩散，5m以下换填基槽按1∶1向前扩散，后趾应力按1∶0.5向后扩散进行设计，优化前后基槽开挖底宽对比如图6、图7所示。优化前基槽开挖底宽64.85m，优化后开挖底宽缩小至55.5m，每延米可减少挖泥量约179m3，减少回填量约122m3，工程总造价可减少约750万元。