基于有限元法的重力式码头前沿稳定性分析

赵冬冬

【摘 要】传统的重力式码头前沿稳定性计算主要采用《重力式码头设计与施工规范》中的极限平衡法计算。论文通过分析重力式码头基础构造，采取有限单元法来对重力式码头进行了自身稳定性的结果分析，表明有限元在重力式码头前沿稳定性分析问题是可行的。

【Abstract】 The traditional gravity terminal stability calculation is mainly calculated by the limit equilibrium method in "Code for Fesign and Construction of Gravity Wharf". In this paper， the finite element method is used to analyze the stability of the gravity wharf. It is proved that the finite element method is feasible in the stability analysis of gravity terminal.

【关键词】重力式码头；稳定性；有限元法

【Keywords】gravity wharf； stability； finite element method

【中图分类号】U226 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0189-02

1 引言

重力式码头主要依靠自身重量和其上部的填料的重量来抵抗后方产生的土压力，防止建筑物的滑动和倾覆。随着国家货运量的增大，重力式码头前水深要求不断加深，码头结构增大，对地质要求也越来越高，但现实中大多数海岸地质往往存在软弱夹层、破碎带等不良地质现象，因此对重力式码头结构形式和基础处理方式的选择，不仅关系到设计施工的难度，同样影响到建设费用投资和后期码头的发展。另外码头在运营管理过程中，了解码头能承担多大的超载荷载及这些荷载需要距离码头前沿多远的距离的参数，对码头是否能够安全的运营是非常有必要的。[1]

传统重力式码头设计及后期荷载稳定的验算采用极限承载力方法完成，码头岸坡稳定安全系数需要通过多次的试算，同时无法事前知道滑动免得位置，要利用多种滑移边坡条件绘制滑移面和安全系数的曲线来查找。同时极限承载力采用一种理想的假设，无法考虑应变对应力的影响，为保证结构安全，往往计算偏于保守。为能够更加精准的得到重力式码头稳定数据，本文提议可以采用建立有限元模型计算的方法。有限元可以对不同的介质进行节点分解，考虑了各节点应力应变的关系，同时有限元计算适应任何形状结构，建立相关的有限元模型，利用有限元软件强大的处理功能，能够计算包括沉箱结构惯性力标准值、动水压力标准值、加速度系数分布曲线，抗倾和抗滑稳定验算等，使得重力式码头稳定性的计算变得准确化、简单化、智能化。[2]

2 重力式码头滑动的原因

由于重力式码头是依靠重力式抵抗后方土压力或是上部荷载传递的土压力，当上部荷载距离码头前沿距离过近，且该荷载传递给码头后方的土压力，形成后方土体对前方码头挤压力超过结构自重的抗力时，码头产生向外倾斜或滑移。

3 有限元法的基本原理

有限元法的原理就是将一个连续体结构离散成有限个单元体，这些单元体在节点处相互铰结，把荷载简化到节点上，采用基础力学和特定的物理结构去构造相对应的方程组，方程组是由位移跟力的关系来组建的。然后对这个非线性方程组采用增量法、迭代法及混合法进行求解之后，求出各项所的值。有限元节点的位移作为基础的变量，当单元划分得足够密时，它与真实解是接近的。有限元有一个很突出的优点就是它使用了我们熟知的数学上的矩阵理论。有限单元的原理示意图如下图2所示。[3，4]

4 重力式码头稳定性计算例子

重力式A码头后方设置一个沉箱预制场 ，预制沉箱重约450吨，利用330吨台车运输至码头前沿，台车出运沉箱时轮压78Kpa/m2，但码头前沿设计压力为30 Kpa/m2，600t起重船驻位在码头外吊装450吨沉箱需要沉箱移至A码头前沿30m范围内，需要核算A码头上部荷载加大时，能否安全稳定。

荷载作用采用持久组合：（不同水位）结构均载+（不同水位）土压力荷载+台车轮压均载。

取两个沉箱位建立有限元模型，上面为胸墙，后方抛石棱体及回填沙土。对于基础边界条件设置，深度超过抛石基床，进入天然地基内5m，沉箱及胸墙和两侧结构段边界条件考虑到沉降缝的存在，设定自由约束，后方棱体等设定为对称约束，地基四周及底部采用固定约束 ，采用 ANSYS 有限元软件进行模拟计算，得出作用在沉箱码头底部的作用力和沉箱前趾部位抗傾覆力矩。

根据计算结果满足以上两个公式，台车运输沉箱时可以移运至前沿30m范围内，安全符合规范要求。[5，6]

5 结论

通过重力式码头滑移原理和有限性计算原理分析，结合实际重力式码头稳定性计算和实际实践，有限元法能够用来计算重力式码头稳定性，与传统的规范计算方法相比，有限元法在重力式码头稳定性计算过程更简便 、计算结果也更精确。

【参考文献】

【1】周早生，钱七虎，朱大勇.土体主动滑动场及主动土压力的计算[J].计算力学学报， 2001（21）：150-152.

【2】JTS 167-2-2009 重力式码头设计与施工规范[J].中小企业管理与科技，2016（11）：47-49.

【3】刘坤. ANSYS有限元方法精解[M].北京：国防工业出版社， 2005.

【4】朱柏芳. 有限单元法原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社， 2000.

【5】孙熙平，吉训明，张桂平.有限元法在重力式码头安全评估中的应用研究[J]. 水道港口. 2012（2）：67-70.

【6】鲁建霞，苟慧芳.有限元法的基本思想与发展过程[J]. 机械管理开发，2009（24）：17-19.