弯矩荷载作用下重力式码头整体稳定性计算分析
2023-03-13吴敬崇
吴敬崇
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430000）
1 工程介绍
1.1 工程概述
淄博港高青港区花沟作业区一期工程位于淄博市高青县花沟镇，是高青港区唯一的作业区，设计年吞吐量320 万吨，设计年通过能力351.3 万吨。
本工程一期建设4 个1000 吨级泊位，其中2 个1000 吨级多用途泊位，2 个1000 吨级通用泊位。
1.2 设计条件
1.2.1 设计水位
本工程设计水位为：
设计高水位：12.26m
设计低水位：8.7m
工程地质：根据《淄博港高青港区花沟作业区一期工程岩土工程勘察报告》[1]，场区地层划分为10 个工程地质层，主要土层物理力学指标如表1所示。
表1 土层物理力学指标
1.2.2 工艺荷载
通用泊位装卸船设备采用4 台16t-30m 的固定式起重机（固定吊），最大起重量16t，正压力125t，水平力12t，倾覆力矩600t·m。码头前沿至岸侧15m 范围内均载为20Kpa，岸侧15m 至新建防洪墙（42m）范围内均载为60kpa。
1.2.3 计算断面
码头采用重力式结构型式，码头墙体采用卸荷板式现浇混凝土结构。通用泊位在距离码头前沿4m 处设置固定吊，固定吊处顶宽7.0m。通用泊位固定吊断面如图1所示。
图1 通用泊位固定吊断面
2 整体稳定性计算
2.1 计算说明
通用泊位固定吊断面整体稳定性采用上海易工软件有限公司编制的《边坡稳定计算程序》进行计算。以钻孔ZK-III20-HG06 为代表钻孔，土层物理力学指标见表1，持久状况采用固结快剪指标[2]。
2.2 荷载分析
对于安装固定吊的码头，码头面还受到固定吊底座传递的弯矩荷载。然而《边坡稳定计算程序》荷载输入模块仅能定义集中荷载和均布荷载，无法直接定义弯矩荷载。为解决弯矩荷载施加问题，有以下两种等效方法。
2.2.1 将弯矩荷载等效成力偶
根据力偶和固定吊弯矩荷载相等的原则，可将固定吊弯矩荷载等效成一对等大反向不共线的力系（力偶）施加在码头面。根据力系施加方向、力系大小、力偶方向，可分以下弯矩荷载等效组合，如表2所示。
表2 弯矩荷载等效力偶组合
各弯矩荷载等效力偶组合示意图见图2。
图2 弯矩荷载等效力偶示意图
2.2.2 将弯矩荷载等效成分布应力
采用简单条分法计算地基整体稳定性时，抗力分项系数大小与滑弧范围内土条所受的弯矩大小紧密相关。码头面固定吊弯矩荷载经由码头结构，以分布应力的形式作用在码头结构下方土条。由于码头结构自身的刚度远大于结构下方土体的刚度，因此，可以将弯矩荷载产生的码头结构底部的分布应力以分布荷载的形式施加在码头面，荷载数值见表3。
表3 弯矩荷载等效分布应力组合
各弯矩荷载等效分布应力组合示意图如图3所示。
图3 弯矩荷载等效分布应力示意图
3 计算结果及分析
计算水位取设计低水位，采用圆弧滑动简单条分法[3]计算通用泊位固定吊断面整体稳定性，计算结果见表4。
表4 不同荷载组合整体稳定性计算结果
由表4可知，当码头面力系施加方向和力偶方向不同时，码头整体稳定性抗力分项系数计算结果略有差异。
（1）力系施加方向和集中力数值相同时，当力偶方向与滑弧方向相同时的抗力分项系数小于力偶方向与滑弧方向相反时的抗力分项系数。
（2）在码头面施加水平力时，当力偶方向和数值一样时，抗力分项系数的大小与集中力大小和力臂无关。
（3）无论是在码头面施加竖向力、水平力或分布荷载，当力偶方向与滑弧方向相同时，此时力偶在土条内部产生倾覆力矩，导致抗力分项系数小于不施加弯矩时的抗力分项系数。
结果表明，当力偶方向和滑弧方向相同时，抗力分项系数小于不施加弯矩时的抗力分项系数，为计算重力式码头整体稳定性的控制工况。此情况下抗力分项系数最小值为1.299，最大值为1.307。
4 结论
固定式起重机由于其结构简单，易于制造，经济简单，在内河港口选用较为广泛，尤其在江南水网地区使用较多，多适用于水位差较小的直立式码头。
本文以淄博港高青港区花沟作业区一期工程通用泊位固定吊断面为例，介绍了两种计算重力式码头整体稳定性时弯矩荷载的等效方法，可为类似工程项目整体稳定性计算提供参考。
