沿海某带悬臂的衡重式挡墙结构有限元分析

易振友

（广西交通设计集团有限公司，广西 南宁530029）

0 引言

某沿海工程的建设规模为万吨级深水泊位，其码头水工建筑物采用带悬臂的衡重式挡墙结构干地施工方案。结构混凝土现浇在基槽开挖后的中风化泥岩或砂岩上，地基承载力较高。考虑到结构高差较大，受力较为复杂，采用传统的计算方法难以考虑复杂的受力情况。为使结构满足安全、耐久、经济、适用的要求，对衡重式挡墙结构进行有限元分析是非常有必要的。

1 工程案例

沿海某带悬臂的衡重式挡墙结构分段长度均为10m。底宽7m，顶宽3．4m，设有胸墙、综合管沟和前方轨道梁，墙背起坡点高程为0．80m，坡比为1∶0．25，与带悬臂衡重平台连接；平台处墙身宽度为5．35m，平台宽4．50m，悬臂长度为2．79m，悬臂端部高为1m，跟部高为2m，前趾长3．5m，高2．5m，挡墙后侧悬臂以下结合岩石开挖采用1∶0．4的坡比；挡墙底高程为－17．90m，顶高程为6．20m，衡重平台高程为－7．00m。码头结构断面－0．70m高程以上采用C40高性能混凝土，－0．70m高程以下采用C30高常规混凝土（如图1所示）。

图1 结构典型断面图（mm）

2 有限元模型的建立

采用Midas Civil有限元分析程序建立二维平面模型，挡墙采用四节点平面应变单元模拟，模型共划分736个单元，825个结点，单元最小边长为0．16m，最大边长为0．892m，模型单元划分情况详见图2。

图2 有限元模型示意图

约束情况：根据地质报告，挡墙建基面地层为中风化泥岩（软质岩），衡重式挡墙下墙仰斜段大部分为强风化泥岩，参考《港口水工建筑物》（陈万佳编，人民交通出版社，1995）附录16，中风化泥岩地基弹簧系数k取200 000kN／m，强风化泥岩地基弹簧系数k取50 000kN／m。根据地基条件，挡墙底部与中风化岩接触部分的节点施加－Z向单项受压弹簧约束，弹簧刚度为200 000kN／m，X 向施加弹性约束，弹簧刚度为0．45×200 000＝90 000kN／m，Y 向施加固定约束。衡重式挡墙下墙仰斜段＋X、－Z向分别施加单项受压弹簧约束，弹簧刚度为50 000kN／m，Y向施加固定约束。

3 计算工况

根据规范要求，对施工期和使用期可能出现的各种荷载组合如表1所示：

表1 荷载工况组合表

4 计算结果

通过分析发现，设计低水位工况时的荷载组合1为挡墙控制工况，且需对完建工况时卸荷板根部的极限承载力进行复核，计算结果统计见表2：

表2 荷载工况组合计算结果表

图3 水平方向应力等值线云图（kPa）

配筋计算：由应力图（如图3、图4所示）可知0．8m、－7．0m、－9．0m、－15．4m高程墙身断面，卸荷平台根、前趾根部断面部的截面应力基本接近于线型分布。因此，根据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191－2008）12．2．1条文，可将应力换算成内力进行配筋计算，内力按式（1）、（2）计算：

图4 竖直方向应力等值线云图（kPa）

式中A为断面面积，A＝b×h。

挡墙主要控制部位内力见表3。

表3 挡墙主要控制部位内力表

5 结语

（1）本挡墙结构符合平面应变分析的特点，采用常规计算方法难以综合考虑各种荷载的组合作用，而有限元分析法是数值分析的经典方法之一，它不仅能处理各种复杂的结构模型、边界条件、荷载工况，还能在后处理中生成应力包络图，提高计算效率。

（2）通过分析发现设计低水位的组合1为控制工况，且0．8m高程、卸荷板根部和前趾根部等部位出现的最大拉应力超过混凝土的抗拉强度，为满足规范对强度及裂缝控制等要求，须对其进行配筋计算，可为今后类似的工程设计提供参考。

（3）由于结构的复杂性和荷载组合的多样性，计算所得的应力并非呈现严格的线性分布，截面突变的地方甚至出现应力集中的现象，因此，如何根据计算结果进行合理的配筋，可作为今后进一步探讨的方向。