轻型码头结构计算方法研究

■马长礼 ■海军工程设计研究院，北京市 100070

1 码头的主要结构型式及其特点

码头常见的结构型式有以下几种:

(1)桩基式码头。这是国内码头较为常用的一种结构型式，其具体特点如下:位于海中的桩基具有结构体积小的特点，这使其所出承受的波浪和水流作用力相对较小;桩基结构本身的承载能力较好，结构受力非常合理，即便码头水深增加，其总体造价也不会出现过大的波动变化，经济性较佳，适用于水域较深的工程;由于直立式桩基础的抗侧移刚度相对较小，水平位移较大，所以在敞开式码头中的应用相对较少，而斜桩虽然抗侧移刚度大，水平位移小，但在海域上的施工难度较高。

(2)重力式码头。此类结构型式的码头技术相对比较成熟，在国内码头中的应用也比较广泛，它的具体特点如下:传统结构类型，设计与施工技术都比较完善，并且各方面经验也十分丰富;对外力具有非常良好的适应性;设备基础对外界荷载变化的敏感性较低;维护工作量小、成本低;断面越大造价越高，其造价与水深的立方成正比例关系;在水深且流速较大的海域上施工比较困难，海上作业两大、施工时间厂，危险系数较高。

(3)导管架码头。所谓的导管架结构就是由钢管焊接成塔架，它的主体结构为直立套管，这些套管全部是在工厂内预先制作完成在运输到施工现场的，借助套管打入钢管桩，并将之固定在海底，然后在套管与桩之间用混凝土进行灌注，使其连接成为有机的整体。这种结构型式最为显著的特点是整体性好、抗风浪能力强、便于施工、承载力大。

2 轻型码头结构优化分析

2.1 轻型码头结构

所谓的轻型码头实质上就是一个钢管焊接而成的空间刚架，它以四周直立的粗钢管作为桩，相邻桩之间的多层钢管作为支撑体系，这种码头结构的主要组成部分如下:上部平台、透空式桩与支撑体系、基础结构。其中上部平台是整个码头的操作平台;透空式桩与支撑体系则是由钢管焊接组合而成，它的具体作用是承受来自于波浪和水流以及船舶的荷载，并支撑码头的上部平台;基础结构是将桩支撑体系与海底基岩相连接，常用的形式有混凝土芯柱嵌岩结构和钢管混凝土结构。

2.2 结构受力特点

由于轻型码头结构位于海中部分的体积较小，所以受水流、波浪的影响也较小，主要依靠结构受力，并且受力合理。这与重力式码头结构依靠自身重量维持稳定性的受力特点有着明显差别，能够有效减少码头水深对结构受力产生的负面影响。在设计轻型码头时，可根据港口条件，在结构基础采用岩基浅埋技术，增强结构基础的抗压能力。因桩基埋入的深度较浅，为此必须保证桩基与岩基连接良好。水平荷载是轻型码头结构承受的主要作用力，所以在计算轻型码头结构平面尺寸时，要充分考虑桩端强度和抗拔力因素。同时，轻型码头在船舶撞击力作用下，会造成较大疲劳损伤，在结构计算时必须对此予以重视。

2.3 优化限定条件

轻型码头结构受撞击力的影响较大，桩端会产生较大拉力，在优化轻型码头结构的过程中，必须要确保该拉力小于桩的抗拔力;为防止轻型码头结构过早疲劳，必须保证杆件满足强度要求，使管节点的热点应力幅值小于材料的屈服强度，适当降低杆件的静力强度许用值;轻型码头结构的杆件和节点尺寸要满足构造要求，在计算轻型码头结构局部稳定性和管节点静力强度时充分考虑杆件和节点尺寸因素。

3 轻型码头静动力计算方法

3.1 静力计算方法

(1)结构整体计算。利用ANSYS对轻型码头靠船墩结构进行有限元分析，具体分为建立结构整体模型、施加荷载求解、获取分析结果三个步骤。对轻型码头结构在不同荷载作用下的结构内力和位移进行计算，主要包括波浪力、撞击力、永久荷载、系缆力、水流力等荷载。建立轻型码头结构有限元模型，根据结构分段来划分桩和支撑的单元大小，并采用梁单元，上部承台采用壳单元。在优化轻型码头结构过程中，存在着桩内灌注混凝土砂浆和散体的情况，在计算第一种情况时，要综合考虑桩内混凝土的质量和刚度，按照钢管混凝土的具体情况建模计算;在计算第二种情况时，要充分考虑散体的质量，不用考虑其刚度因素。

(2)静力强度计算。①钢管强度。按照我国现行规范标准的规定要求对桩的承载能力进行校核，通常圆形截面的正应力可用下式进行校核:

上式当中，N代表钢管所承受的截面轴力(单位:kN);M代表钢管所承受的截面弯矩(单位:kN/m);As代表钢管面积(单位:㎡);Ws代表钢管的截面模量(单位:m3)。

②钢管混凝土受压构件。可按照我国现行的规范标准要求，对钢管混凝土桩在压弯状态下的承载能力进行校核。由于在压弯条件下，钢管与核心混凝土处于共同工作状态，故此，钢管上所承受的等效应力应当满足下式的要求:

在上式当中，Asc=(EsAs+EcAc)/Es，其中Es为钢管的弹性模量(单位:Pa);Wsc=(EsWs+EcWc)/Es，其中Ec为混凝土的弹性模量(单位:Pa)。

(3)结构稳定性验算。由于轴心受压构件都或多或少地存在各种初始缺陷，其实际失稳归属于极值失稳的范畴，并且多数都是发生在弹塑性状态下。故此，可以压弯构件的极限荷载理论对其极限承载力进行确定。而对于轴压构件来讲，当其原材料属性、截面形状与尺寸、构件长度、端部约束等条件全部给定时，可通过数值法来获取构件的极限荷载值。我国现行的规范标准中对轴心受压构件的稳定系数进行了明确规定，可按极限荷载理论，并使用逆算单元法进行计算。在轻型码头结构中，因构件长度方向的不同，使得大部分压弯构件承受的弯矩呈现出不均匀分布状态。对于压弯杆而言，其弯矩对压杆刚度最具影响力的因素是弯矩的最大截面。压弯杆在弯矩最大截面形成塑性铰之前极容易失去稳定性。所以，对压弯杆的计算是将不均匀分布的等效弯矩等效成均匀分布的弯矩，而后根据均匀分布的压弯构件对其平面的稳定性进行计算。在这一计算过程中遵循的等效原则为最大弯矩在等效前后相等。轻型码头结构的稳定验算公式如下:

3.2 动力计算方法

(1)自振特性计算。轻型码头结构的质量和刚度对其固有振动特性能够产生重大影响。采用ANSYS分析软件对轻型码头结构进行模拟分析，确定其自振特性。在计算过程中，使用Block Lanczos法，并采用完整的质量和刚度矩阵。桩基结构共分为以下三种:桩基为纯钢管结构，其自振周期为0.51s;桩基内灌注散体，其自振周期为0.63;桩基为钢管混凝土桩，其自振周期为0.55s。通过计算得出以下结论，即轻型码头结构的自振周期一般均不超过0.7s，并且结构刚度越大，自振周期越小，与波浪周期9.4s存在较大差异。

(2)波浪荷载作用下的动力计算。采用瞬态动力学在时域内分析波浪荷载作用下的轻型码头结构动力，利用求解精度高的完全法进行相关计算。瞬态动力学分析求解公式为:

阻尼矩阵用以反映在多种耗能因素影响下的综合作用系数，采用阻尼常数α、β对阻尼矩阵进行结构定义。由此可得阻尼矩阵［C］的公式为:

在公式中，ω表示结构圆频率，ξ表示阻尼比，选取3%。根据现行规范对轻型码头结构动力进行分析时，对波浪荷载采用标准值。通过计算可知，轻型码头结构动力对波浪荷载的响应不显著，所以可将波浪荷载视为静力荷载进行结构计算。

(3)撞击作用下的动力计算。在船舶撞击作用下，轻型码头结构动力响应与撞击时间长短有着密切关系。在撞击时间较短的情况下，结构动力响应十分明显，其动力放大系数高达1.3-1.5，这时应将撞击力视为动力荷载进行计算;在撞击时间较长的情况下，结构动力响应并不明显，可将撞击力视为静力荷载进行计算。

4 结论

综上所述，本文从静力和动力两个方面对轻型码头结构的计算方法进行了分析。轻型码头作为一种新型的码头结构型式，其适用于深水水域，这种结构不断能够满足强度和稳定性等方面的研究，而且经过计算在船舶撞击作用下，其不会出现失稳等情况。由此可见，该结构具有推广使用价值。

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