摘要： 本文主要介紹了利用有限元法對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)——瀾滄江大水位差碼頭三維數(shù)值分析,探討混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律和塑性破壞行為。分析得到了三維實(shí)體模型各構(gòu)件的內(nèi)力;分析了船舶荷載中的系纜力對(duì)架空直立式碼頭某些構(gòu)件的影響;探討了架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果與堆場(chǎng)荷載位置的關(guān)系;得到了結(jié)構(gòu)在承受最高層撞擊力作用時(shí)的塑像破壞過(guò)程。

　　關(guān)鍵詞： 框架碼頭,大水位差,內(nèi)河,有限元法,結(jié)構(gòu)計(jì)算

　　1引 言

　　架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)一直以來(lái)都是在海港工程中應(yīng)用，隨著瀾滄江港口迅速發(fā)展，架空直立式碼頭以能很好的適應(yīng)內(nèi)河大水位差變化，裝卸效率高，通過(guò)能力大等優(yōu)點(diǎn)，已為內(nèi)河集裝箱碼頭的設(shè)計(jì)的選擇方案。研究適應(yīng)于瀾滄江內(nèi)河港口大水位差集裝箱碼頭的經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高效先進(jìn)的碼頭結(jié)構(gòu)型式，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。在我國(guó)國(guó)內(nèi)，重慶寸灘港首次在內(nèi)河中采用架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)。

　　本文首先總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)瀾滄江碼頭的結(jié)構(gòu)特征，采用實(shí)體單元對(duì)其進(jìn)行彈性和塑性三維數(shù)值分析，真實(shí)有效地模擬出寸灘結(jié)構(gòu)的特性，并將計(jì)算結(jié)果與采用梁?jiǎn)卧�的�?jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為工程技術(shù)人員提供了重要的參考數(shù)據(jù)。

　　2三維分析的基本理論依據(jù)

　　混凝土材料的真實(shí)性質(zhì)和強(qiáng)度是十分復(fù)雜的，與諸多因素有關(guān)，這一現(xiàn)象取決于骨料和水泥的物理和力學(xué)性質(zhì)，以及加載類型。因此，為了實(shí)際應(yīng)用，在混凝土材料強(qiáng)度特征的數(shù)學(xué)模型中極度理想化是必要的。本文將采用Willam-Warnke五參數(shù)模型對(duì)寸灘結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑性分析。

　　2.1混凝土的本構(gòu)關(guān)系及破壞準(zhǔn)則

　　五參數(shù)模型中的彎曲的拉伸子午線和壓縮子午線用二次拋物線形式表達(dá)為

　　其中， 是平均應(yīng)力; ， 分別是垂直于 和 處?kù)o水壓力軸的應(yīng)力分量; 是材料常數(shù)。注意到所有應(yīng)力統(tǒng)一用 表示，即在式(1-2)中的 ， 和 分別表示  。

　　由于這兩個(gè)子午線必須與靜水壓力軸交于同一點(diǎn)，所以有

　　剩下的五參數(shù)可由五個(gè)典型的試驗(yàn)決定，一旦這兩個(gè)子午線由一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，那么橫斷面就可通過(guò)子午線和使用適當(dāng)?shù)那�線來(lái)構(gòu)成。

　　Willam和Warnke的破壞曲線是外凸且處處光滑的(Willam和Warnke，1974)，他們是通過(guò)是使用一條橢圓曲線的一部份得到的。由于三部分對(duì)稱，只需考慮0o≤θ≤60o的部分，在偏截面上，與參數(shù) ， 有關(guān)的橢圓形表達(dá)式用極坐標(biāo)給出為

　　在式(3)中能夠得到兩種極限情況。首先，當(dāng) =1時(shí)，橢圓退化成一個(gè)與Von Mises或Druker-Prager模型的偏斜軌跡相似的圓;其次，當(dāng) 的比值接近1/2時(shí)，偏斜軌跡變成為三角形，當(dāng) =1/2時(shí)，三角形偏斜曲線在壓縮子午線處存在一個(gè)角。

　　3云南瀾滄江內(nèi)河港區(qū)現(xiàn)狀及建港條件

　　瀾滄江—湄公河是世界上第三大國(guó)際河流，全長(zhǎng)4880公里，發(fā)源于中國(guó)青藏高原的唐古拉山，流經(jīng)中國(guó)、緬甸、老撾、泰國(guó)、柬埔寨和越南。在我國(guó)境內(nèi)2130公里，中緬界河31公里，流域面積16.74萬(wàn)平方公里。在云南境內(nèi)1247公里。瀾滄江兩岸植被繁茂，水量充沛，多年平均流量1804，一般枯水流量在500。瀾滄江河槽單一，河道流經(jīng)高山峽谷和丘陵地區(qū)，河床穩(wěn)定。

　　目前，瀾滄江-湄公河流域港口裝卸工藝十分落后。從已建成投入使用的思茅港、景洪港和關(guān)累港來(lái)看，港口配備裝卸機(jī)械很簡(jiǎn)陋;也幾乎沒(méi)有堆場(chǎng)和倉(cāng)庫(kù)。平面布置上全采用下河公路形式，裝卸作業(yè)全靠人力。目前貨運(yùn)主要是件雜貨，“船D車”裝卸過(guò)程全部是采用人力搬上搬下，其裝卸效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、裝卸船(車)時(shí)間長(zhǎng)，貨損嚴(yán)重，同時(shí)造成大量貨物滯港，嚴(yán)重影響港口通過(guò)能力。此外，由于全部采用人力裝卸，也限制了裝卸貨物的種類和規(guī)格，從而不能充分發(fā)揮港口對(duì)腹地經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)作用，也不利于港口自身的建設(shè)與發(fā)展。如今隨著瀾滄江——湄公河國(guó)際航運(yùn)的發(fā)展，水運(yùn)在云南的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、外貿(mào)和地方社會(huì)發(fā)展中的作用越來(lái)越明顯。隨著外貿(mào)發(fā)展和云南經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)水運(yùn)交通的需求以及國(guó)際水運(yùn)的發(fā)展趨勢(shì)，件雜貨已向成組化、集裝箱化方向發(fā)展，云南現(xiàn)有碼頭簡(jiǎn)單的、落后的裝卸工藝已遠(yuǎn)不能滿足水運(yùn)交通的要求和運(yùn)量增長(zhǎng)的要求。

　　瀾滄江上現(xiàn)已建有兩個(gè)較大的港口，思茅港和景洪港。思茅港又包括思茅港區(qū)、南得壩港站和虎跳石港站，景洪港包括景洪港區(qū)、勐罕港站和關(guān)累港站。思茅和景洪建設(shè)有較正規(guī)的碼頭。但均為單一的下河公路，包括正在建設(shè)的關(guān)累港，也是采用的下河公路型式。目前通過(guò)的主要為糧食、日用雜貨、水泥和農(nóng)副產(chǎn)品以及部分輕工產(chǎn)品。目前瀾滄江上航運(yùn)的船舶有198艘，主要從事境內(nèi)區(qū)間客貨運(yùn)短途運(yùn)輸，少部分船舶從事外貿(mào)運(yùn)輸任務(wù)。

　　隨著近年?yáng)|南亞經(jīng)濟(jì)的騰飛和我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，思茅港和景洪港貨運(yùn)量發(fā)展較快，集裝箱運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展已提上了議事日程。在建的思茅港也在一定程度上考慮了集裝箱發(fā)展的需要。從貨源和運(yùn)輸條件的發(fā)展上來(lái)看，云南瀾滄江集裝箱建港條件較成熟。

　　4三維有限元數(shù)值分析

　　4.1彈性建模及單元?jiǎng)澐?/p>

　　依據(jù)碼頭的結(jié)構(gòu)及力學(xué)特點(diǎn)，可將砼面板折合成均布荷載施加于橫梁，橫梁、樁、立柱、橫撐、縱撐組成的排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

　　取一個(gè)碼頭分段(6跨7榀排架，寬39m)，砼面板采用3-D彈性殼單元，其他構(gòu)件均采用3-D彈性實(shí)體單元建立模型。模型共有129877節(jié)點(diǎn)，劃分了81794個(gè)單元，有限元模型及單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖1-2。

　　4.2邊界條件

　　三維實(shí)體模型均對(duì)樁基嵌固點(diǎn)設(shè)置為固結(jié)，使其在各個(gè)方向的位移均為零，嵌巖深度取4倍樁徑[3]。

　　4.3荷載計(jì)算[4]

　　1) 永久作用荷載

　　各構(gòu)件自重均按密度2500㎏/ 、重力加速度為9.8m/s施加。

　　2) 可變作用荷載

　　(1)船舶荷載

　　①系纜力：N=450 系纜力的橫向分力：NX=225 ;系纜力的垂直分力：NY=390 ②撞擊力：FX=1030 (2)集裝箱裝卸橋

　　集裝箱裝卸橋產(chǎn)生的最大輪壓為250kN,每個(gè)支腿8個(gè)輪子，共四個(gè)支腿。建模時(shí)在軌道梁上建立32個(gè)立方柱(邊長(zhǎng)0.1m)分布在四個(gè)支腿上，在立方柱底面施加250kN的力用來(lái)模擬裝卸橋荷載。

　　(3)堆荷：30 /m2。

　　4.4荷載組合

　　為解決內(nèi)河架空直立式集裝箱碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算中的荷載組合問(wèn)題，采用單位力法對(duì)可能出現(xiàn)的荷載工況進(jìn)行了有限元計(jì)算，得到了結(jié)構(gòu)各主要構(gòu)件的內(nèi)力控制值以及相應(yīng)的最不利荷載組合情況。

　　4.5塑性分析及加載

　　混凝土是一種復(fù)合的多相材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且結(jié)構(gòu)物上部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及所受荷載的多樣性，要精確分析寸灘結(jié)構(gòu)從加載到破壞的全過(guò)程是十分困難的。分析中，只在結(jié)構(gòu)中施加自重及在頂部施加均部荷載。荷載分兩步施加，第一步計(jì)算結(jié)構(gòu)的自重(9.8m/s)荷載，第二步再在碼頭結(jié)構(gòu)上部前邊梁上施加6700kN的撞擊力直至結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性破壞。

　　4.6混凝土參數(shù)

　　5計(jì)算結(jié)果及分析

　　彈性分析結(jié)構(gòu)計(jì)算云圖和結(jié)構(gòu)塑性區(qū)如下：

　　通過(guò)以上計(jì)算和分析，可以看出：三維實(shí)體模型分析結(jié)果與空間框架模型分析結(jié)果能夠比較好的吻合，實(shí)體模型分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，是可靠有效的。在何載作用下，一般混凝土結(jié)構(gòu)是帶裂縫工作的，混凝土中的裂縫是隨何載增加而不斷發(fā)展。結(jié)構(gòu)在撞擊力作用下最先出現(xiàn)塑性區(qū)的地方發(fā)生在第二排第二根立柱的頂端。

　　6結(jié)束語(yǔ)

　　本文運(yùn)用三維數(shù)值分析方法，得到大量結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息，諸如結(jié)構(gòu)位移，應(yīng)力、應(yīng)變的變化，混凝土的壓屈，破壞荷載，并且對(duì)內(nèi)河大水位差架空直立式集裝箱碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)靜荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)塑性破壞進(jìn)行了分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程總結(jié)歸納，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　(1)三維實(shí)體模型計(jì)算的結(jié)果普遍比空間框架的計(jì)算小，而且更符合實(shí)際的測(cè)試值，說(shuō)明三位實(shí)體模型比空間框架模型的計(jì)算更為準(zhǔn)確，空間框架計(jì)算數(shù)值偏大，比較保守。

　　(2)船舶荷載中的系纜力盡管在數(shù)值上遠(yuǎn)小于撞擊力，但其對(duì)架空直立式碼頭某些構(gòu)件的計(jì)算起著主導(dǎo)作用，在計(jì)算中應(yīng)引起足夠的重視。

　　(3)架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果受堆場(chǎng)荷載位置的影響是非常敏感的，在計(jì)算過(guò)程中不容忽視。

　　(4)結(jié)構(gòu)在承受最高層撞擊力作用，首先進(jìn)入塑性破壞的地方在第二排橫梁與第二排立柱接觸的地方，之后最后一排樁以及最低層橫撐連接處均出現(xiàn)塑性區(qū)，總體來(lái)看，立柱與聯(lián)系撐、橫梁接觸的部位以及樁底部出現(xiàn)塑性破壞。

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