新型框筒式码头结构数值分析

李武，刘晓曦，丁大志，陈允才

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏 连云港 222042）

新型框筒式码头结构数值分析

李武1，刘晓曦1，丁大志2，陈允才2

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏 连云港 222042）

结合连云港港徐圩港区的地质特点，提出一种将驳岸和码头结构结合的新型框筒式码头结构形式，并建立相应的数值模型，分析框筒式结构的变形和稳定，得出新型框筒码头结构的稳定性能够满足施工期和使用期变形稳定要求；框筒结构的水平位移主要在施工期完成，使用期水平变形在10 cm以内，而且前板桩墙和桩基共同变位，相对位移差在毫米量级上，不会影响上面门机作业。

框筒式结构；码头结构；数值计算；稳定

0 引言

在软土地基上通过围海造地建造港口工程时，地基土天然含水量高、压缩性高、承载力低[1]。传统做法是先在软土地基建造斜坡式围堤、回填成陆，再在围堤前建造码头结构和驳岸结构[2-7]。围堤、驳岸、码头结构分别承担不同的功能，未能够很好地发挥不同结构的承载能力，致使工程造价增高。依托连云港港徐圩港区的开发建设，在分析研究类似地区传统工程做法以及超深格形地下连续墙结构抗水平力特点的基础上，提出将驳岸和码头结构结合的一种新型的框筒式码头结构形式。

1 框筒式结构方案

新型框筒式码头结构形式由多片地连墙围成格形框架结构，可以根据使用要求设计入土深度和平面尺度。地连墙构成的格形同时具有筒式结构的空间特性，既能通过扩大平面尺度满足挡土要求，又可以通过增加地连墙深度满足码头使用要求，结构整体刚度大，水平和竖向承载能力高。将码头结构与驳岸结构结合，采用陆上施工，施工速度快，施工机械小。在淤泥质海岸通过围海造地建设大型港区，该新型框筒码头结构形式具有明显技术经济优势。

图1为框筒式结构示意图。

图1 框筒式结构示意图Fig.1 Sketch of frame drum structure

2 框筒式结构数值分析

2.1 框筒式结构有限元模型

2.1.1 模型参数

土体采用实体单元solid45进行模拟，针对淤泥质海岸的地质特性，分别采用土体的不排水指标与排水指标研究土体在施工过程中的不同性状。吹填疏浚土时，下卧软土渗透系数较小，尚来不及发生排水固结，采用不排水指标的总应力法进行研究。框筒和锚系施工结束后，土体固结基本完成，采用排水指标的有效应力法进行分析。土体指标见表1所示。

表1 土体指标Table 1 Soil indicator

框筒采用shell63单元进行模拟，锚杆采用link8单元进行模拟，锚钉桩采用beam4单元进行模拟，均为钢筋混凝土构件，共同的材料参数为天然重度γ=25 kN/m3，泊松比=0.167，弹性模量E s=3.25×104MPa。

2.1.2 加载工况分析

在分析的第一步，首先考虑地基土的地应力平衡。粉质黏土在自重作用下完成了初始地应力平衡，在继续分析后续施工工序时，得到的位移结果是累加了初始位移的结果，而现实中初始位移早就结束，对框筒的施工和使用不产生影响，因此首先考虑粉质黏土的自重应力场。工况二为回填淤泥，由于淤泥尚未完成沉积过程，所以淤泥自重引起的沉降不能作为初始位移，此过程中采用淤泥的不排水指标。工况三为淤泥完成沉降，进行框筒施工，此过程中采用淤泥的排水指标。工况四为框筒结构使用过程中的最不利荷载组合，考虑码头使用需求，最不利荷载组合设计为：码头面荷载40 kN/m2，堆场面荷载50 kN/m2，船舶系缆力2 000 kN，Mh-10-30门座式起重机，前腿腿压850 kN，后腿腿压680 kN，轮数为8×4。

利用ANSYS中的荷载步和生死单元功能可以实现不同工况间的连续计算，模拟结构的施工和使用过程。在用ANSYS对框筒结构进行动态施工过程的模拟时，根据有限元数值计算的特点，对施工工序进行了必要的简化，将第二层淤泥同第一层淤泥同时回填，简化后的工序如表2。

表2 荷载步对应工序说明Tab le 2 W orking procedure of load steps

2.2 框筒式结构数值计算结果

2.2.1 施工期框筒稳定计算

图2和图3分别为施工期模型和框筒的变形情况。模型最大竖直沉降为0.538 m。模型海测最大水平位移为0.388 m。

表3和表4分别为前后板桩墙顶端和桩顶端的沉降和水平位移。结果表明，板桩墙和桩顶变形协调一致。

图2 施工期模型变形情况Fig.2 M odel deformation condition in construction period

图3 施工期框筒变形情况Fig.3 Fram e drum sdeform ation condition in construction period

表3 板桩墙顶端和桩顶端沉降Tab le3 Settlementat the topsof sheet pilewalland pile m

表4 板桩墙顶端和桩顶端水平位移协调情况（每3m取1点）Table4 Coordination condition of thehorizontaldisplacement at the topsof sheet pilew alland pile(choose one point in every 3m) m

2.2.2 使用期框筒稳定计算

图4和图5分别为使用期最不利荷载组合情况下模型和框筒的变形情况。模型最大竖直沉降为0.391m，产生在码头后方堆载区域。模型最大海测水平位移为0.072 m，产生在框筒结构区域，最大岸向水平位移为0.155 m，产生在码头后方堆载区域。表5和表6分别为板桩墙顶端和桩顶端的沉降和水平位移。结果表明，结构和土体的沉降及位移可以满足码头在最不利荷载情况下的使用要求，板桩墙和桩顶变形协调一致，能够满足门机轨道的使用要求。

3 结语

通过对新型框筒码头结构的数值分析，可以得出以下初步结论：

1）回填状态下新型框筒码头结构的稳定性能够满足施工期和使用期变形稳定要求，可以作为码头结构使用。

2）框筒结构的水平位移主要在施工期完成，使用期水平变形在10 cm以内，而且前板桩墙和桩基共同变位，相对位移差在毫米量级上，不会影响上面门机作业。

图4 使用期模型变形情况Fig.4 M odel deform ation condition in app lying period

图5 使用期框筒变形情况Fig.5 Frame drumsdeformation condition in applying period

表5 板桩墙顶端和桩顶端沉降Table 5 Settlementat the topsof sheetpilew alland pile m

前板桩墙 -0 . 0 5 0 1 -0 . 0 5 0 4 -0 . 0 5 0 7 -0 . 0 5 0 6后板桩墙 -0 . 0 5 0 1 -0 . 0 5 0 4 -0 . 0 5 0 2 -0 . 0 5 0 9桩 -0 . 0 5 0 7 -0 . 0 5 0 4 -0 . 0 5 0 1 -0 . 0 5 0 6

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Numerical analyses of new frame drum wharf structure

LIWu1,LIUXiao-xi1,DINGDa-zhi2,CHENYun-cai2
（1.CCCCThird Harbor ConsultantsCo.,Ltd.,Shanghai200032,China; 2.Construction Headquartersof Lianyungang Port300 000 tonsWaterway,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

Combined with the geological features of Xuwei Port in Lianyungang Port,we proposed a new frame drum wharf structure type by combining revetment and wharf structure,and established its numericalmodel,analyzed its deformation and stability.The resultsare obtained that the stability ofnew frame drum wharf structure canmeet the deformation stability requirement in construction and applying period,the horizontal displacementof frame drum structure ismainly complete in construction period,the applying horizontal displacement iswithin 10 cm,the sheet pile wall and pile foundation are together deformed, the relative displacementdifference is on the orderofmillimeters,the unloadersoperation willnotbe affected.

frame drum structure;wharf structure;numerical analyses;stability

U652.72；U655.544.6

A

2095-7874（2015）05-0001-04

10.7640/zggw js201505001

2015-01-18

李武（1978— ），男，黑龙江哈尔滨市人，博士，高级工程师，主要从事港口工程、岩土工程、地下工程等领域的设计与科研工作。E-mail：liw@theidi.com