对全直桩高桩码头结构破坏的预先危险性分析

庄 宁，高华喜

（浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022）

对全直桩高桩码头结构破坏的预先危险性分析

庄 宁，高华喜

（浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022）

高桩码头是浙江沿海地区主要的码头建筑物形式，对于沿海掩护较好，波浪力及撞击力较小的码头，一般采用全直桩的形式进行设计施工。本文从工程实例入手，运用系统安全原理和有限元分析方法，对一个不规则码头平台的结构破坏作出预先危险性分析。最后得出结论：根据设计要求，码头结构在设计荷载作用下没有达到屈服，符合使用安全规范；码头的应力集中在桩柱与平台结合部，应适当增加保护措施；码头结构的危险性等级定级为Ⅳ级，码头整体系统处于安全的使用状态。

高桩码头；结构破坏；预先危险性分析

高桩码头是浙江沿海主要的码头形式，一般形式为高桩梁板式码头、高桩墩式码头等。为抵消整体受到的水平力，码头往往在桩基中布置叉桩。目前，在深水外海和沿海有掩护的小型码头也有采用全直桩的桩基布置形式，并且在桩帽下部安插水平撑以支撑水平方向的作用力。对全直桩高桩码头的结构形式，已经有学者做出了相应的研究。王元战等[1-3]对深水全直桩高桩码头做出了承载力性能研究，提出了在自振频率与波浪周期等要素相近并产生结构动力响应的情况下，码头结构的动力简化计算方法以及对水平承载力的简化计算方法。贺林林等[4]从桩群的角度进行分析，对结构桩群的工作性状进行了研究。以上研究可以对本文的结构做一些参考，但是不规则码头平台和现浇结构有其特殊性，不同于上述，在承载力和破坏形式上存在很大的不同。

预先危险分析（PHA，preliminary hazard analysis）[5]，是指在产品或系统开发初期，对危险类别、危险产生条件、事故后果的定性分析。在码头工程中。以系统的思想对码头在设计阶段进行预先危险性分析是非常有必要的，可以对码头的整体结构性能作出初步的判断，以便在设计中对方案进行改进。

1 工程概况

舟山地区某石渣出运码头采用高桩现浇结构进行码头设计，采用桩基与码头平面直接浇筑的方法进行码头施工。

1.1码头构件情况

本工程建筑面积为340.1 m2桩基采用14根Φ 800 mm钻孔灌注桩，桩长均为50 m，桩底嵌入岩层，为嵌岩桩。码头平台采用C40混凝土浇筑，主要受力钢筋均为三级热压带肋钢筋。靠船侧采用橡胶护舷对船舶撞击力进行消能。具体码头平台桩位布置情况及码头平台的具体尺寸如图1。

1.2 码头荷载情况

图1 码头平台桩位布置图Fig.1 Layout of pile site of wharf platform

根据《港口工程荷载规范》[6]施加码头整体的自重力、码头平面的堆货荷载以及船舶在撞击时的撞击力，整个码头平面施加均布堆货荷载，荷载大小取60 kN/m2。重力加速度采用9.8 m/s2。船舶靠岸时的撞击力为78.9 kN，均匀分布于平台靠船侧的平面上。

1.3 各项工程参数一览

码头构件的材料系数详见表1，码头设计时的水文条件详见表2。

表1 码头构件材料参数表Tab.1 Material parameter list of wharf's component

表2 码头设计水文条件表Tab.2 Hydrologic condition list for wharf design

2 预先危险性分析方法

预先危险性分析的功能是预防危险事件的发生。在港口工程的设计过程中，预先危险性分析主要是对结构的稳定性及破坏性状进行分析，对码头结构在设计荷载下的变形和应力进行分析。根据危险后果严重性等级表，对结构危险性进行分析。预先危险性过程是在对码头结构进行有限元分析之后，根据码头结构表现对码头整体结构稳定性作出评估，列出对码头结构损坏这一事件的预先危险性分析表，最终得出结论即码头的设计荷载是否会对码头结构产生破坏。对危险事件的严重性等级划分详见表3。

表3 危险后果严重性等级表Tab.3 Hazard severity scale

3 数值分析模型的建立

本文应用大型有限元分析软件ANSYS对码头结构进行模拟，模型主要分为两个部分，即码头平台部分和桩基部分，码头平台采用SOLID65单元对钢筋混凝土进行整体模拟，平台混凝土部分选取W-W破坏准则，平台钢筋部分选取双线性模型（BISO）作为其屈服准则。桩基部分采用SOLID65单元进行建模。模型整体用扫略的方式对全局进行网格划分。模型的桩基表面和底面采用全约束，其余均为自由表面。模型的码头平台上表面施加堆货荷载和车辆荷载，大小为67.7 kN/m2，码头前沿两个靠船面施加船舶桩基荷载，大小为8.21 kN/m2。具体模型网格划分情况和荷载施加详见图2。

图2 模型网格划分与荷载施加图Fig.2 Model mesh generation and load rendering

4 有限元结果分析

4.1 码头平台变形分析

码头平台总变形云图如图3所示，码头平台Z方向变形云图如图4所示，从图中可知，码头平台的最大变形部位位于码头右侧中部的部位，最大变形0.556 mm。各桩位处的位移几乎为零，这是由于码头平台的作用力通过桩基向下传递，左侧平台的变形明显小于右侧平台，这是由于左侧桩柱的密度大于右侧桩柱而产生的群桩效应，使得桩柱共同承受各向荷载，结构变形较小。通过比较码头平台总变形云图和Z方向变形云图可以发现，码头结构在Z方向上的云图轮廓与总变形云图相近。由此可知，码头平面的堆货荷载为码头平台主要荷载,船舶撞击荷载对码头平台的变形影响不明显。

图3 码头平台总变形云图Fig.3 Total deformation nephogram of wharf platform

图4 码头平台Z方向变形云图Fig.4 Deformation nephogram on Z direction of wharf platform

4.2码头平台应力分析

码头平台的第一主应力云图如图5所示，码头在竖向堆货荷载和横向船舶撞击力共同作用下，码头的主要应力集中在右侧平台中央桩柱的位置处，节点处的最大荷载为3.35 N，符合工程要求，混凝土不会被拉溃。桩头部位存在应力分布，大小逐次递减，这是因为码头荷载通过平台向桩底传递，使桩基承受这些荷载。第一主应力基本按照码头中央平行与x轴穿过最大应力区的轴线对称，这条轴线上的应力变化曲线图如图6所示。

码头平台的第二主应力云图如图7所示，第二主应力的最大应力区仍然在中央桩柱处，最大的应力为3.08 N，周围逐次递减，除了桩柱周围为正向应力，码头面板部位都存在反向应力。所有应力的大小都在设计规范荷载之内。

图5 码头平台第一主应力云图Fig.5 First principal stress nephogram of wharf platform

图6 码头主轴方向第一主应力曲线图Fig.6 1st principal stress curve of wharf spindle direction

图7 码头平台第二主应力云图Fig.7 2nd principal stress curve of wharf spindle direction

码头平台的第三主应力云图如图8所示，第三主应力的大小比第一主应力与第二主应力小很多，基本对结构不产生影响。

4.3 码头平台钢筋平均等效应力分析

码头平台的钢筋平均等效应力图如图9所示，从图中可以看出，码头平台上的钢筋等效应力均为360 N。由于桩基施加了约束，钢筋等效应力在桩基部分逐渐减少。对于平台而言，钢筋等效应力分布均匀，钢筋混凝土整体结构稳定。在结构模拟中，没有发现钢筋混凝土产生裂纹。

图8 码头平台第三主应力云图Fig.8 3rd principal stress curve of wharf spindle direction

图9 码头钢筋平均等效应力等值线图Fig.9 Isoline of average equivalent stress of reinforced bar in wharf

5 预先危险性分析结果

码头工程的建设中，有许多安全隐患，本文针对码头结构破坏这一危险因素，深入分析，得出对码头结构建设预先危险性分析表。具体预先危险性分析详见表4。

6 结论

在对码头模型进行分析之后，可以得出以下结论：

表4 码头结构建设预先危险性分析表Tab.4 Pre construction risk analysis sheet for wharf structure construction

（1）根据有限元分析软件的云图和钢筋等效应力图显示，码头平台在设计荷载作用下只发生了小变形，并不影响其正常使用。码头平台的最大应力发生在中央桩柱区，最大值为3.35 N。

（2）码头平台在外部荷载作用下，部分应力集中在码头平台与桩柱的结合部位，应对应力较大区域设计桩帽进行加固，或采取其他措施对应力区进行加固。

（3）通过有限元分析结果对码头平台结构破坏进行预先危险性分析，结合相关因素，最终定义该危险因素的危险等级为Ⅳ级，即较为安全的结构。

[1]王元战,贺林林.离岸深水全直桩码头承载性能有限元分析[J].海洋工程,2013,31(6):45-52.

[2]王元战,贺林林,王朝阳.离岸深水全直桩码头动力简化计算方法研究[J].岩土力学,2014(10):2 969-2 976.

[3]王元战,贺林林.离岸深水全直桩码头水平承载力简化计算[J].水利水运工程学报,2014(5):14-21.

[4]贺林林,刘 洋,邓 晓.离岸深水全直桩码头结构群桩基础工作性状有限元分析[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2016,35(5):79-84.

[5]李 峰,贾 湖.基于PHA与FMEA的企业安全评价方法的应用研究[J].甘肃科学学报,2016,28(4):136-140.

[6]中华人民共和国交通运输部.JTS 144-1-2010港口工程荷载规范[S].北京:人民交通出版社,2010.

Preliminary Hazard Analysis on All-Vertical-Pilled Wharf’s Structural Failure

ZHUANG Ning,GAO Hua-xi
（School of Port and Transportation Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316002,China）

High-Pile Wharf is the main construction form of wharves in the coastland of Zhejiang Province.It is generally use all straight piles to design and construct the coastal wharf which is in good cover with small wave and impact force.The text starts from project cases,applying System Security Principles and Finite Element Analysis to do the PHA(preliminary hazard analysis)for the structural damage of an irregular terminal platform.Finally come to the conclusion:according to the design requirements,the wharf meets the safety specifications which marked by the unyielding condition of the wharf structure under the design load;the stress of the wharf concentrate in the combining area of the pile and the platform so that measures should be increased appropriately to keep safe;the hazard level of the wharf structure is IV and the wharf system is in safe state.

High-Pile wharf;structural failure;preliminary hazard analysis

U656.1+13

：A

2016-11-20

浙江省自然科学基金（LY12E09006）

庄宁（1993-），男，浙江宁波人，硕士研究生，研究方向：港口航道与海岸工程.

高华喜.E-mail:240175066@qq.com

1008－830X(2017)01－0042－05