沉箱底板结构的有限元计算分析

徐军+魏志民

摘 要：采用ABAQUS有限元方法，对长宽比较大的沉箱的底板受力进行了计算，所得结果与规范方法进行了比较分析。计算表明，长边较长的沉箱底板的应力分布仍较好满足规范线性分布的假定；基顶应力在隔墙附近局部出现非线性特征从而导致支座剪力比规范算法偏大，工程中应引起重视。

关键词：ABAQUS 底板强度 非线性 支座剪力

1.前言

重力式码头是我国分布较广、使用较多的一种码头结构形式。近年来，随着经济的快速发展，港口建设的速度和规模也逐渐增大，目前在建和建成的大型码头工程，有很大一部分是采用重力式沉箱结构。船舶的尺度及吨位逐渐加大，对码头的水深要求越来越高，作为重力式沉箱码头的主体构件，矩形沉箱的尺寸也在不断加大。而随着水深的加大，沉箱所受的水平荷载增加的较多，为了维持沉箱的稳定，势必要增加沉箱的垂直荷重，从而使得沉箱的地基反力既大且更不均匀。在大吨级码头设计中经常会出现沉箱底板混凝土抗剪能力不足的现象，即大吨级沉箱底板的抗弯及抗剪能力的要求更高了。

本文以某10万吨级重力式海港码头为案例，采用ABAQUS有限元分析的方法，对其底板应力及内力进行计算，并与规范计算方法的计算结果进行对比分析。

2、工程实例计算与分析

某10万吨级重力式海港码头，前沿水深-16.2m，沉箱高18.0m，平面尺寸为30.20m×16.5m，底板厚0.6m，前后墙0.45m，前后趾长1.1m。沉箱设计为6×3仓格，仓格回填中粗砂，外海侧现浇钢筋混凝土挡浪墙，内海侧现浇混凝土胸墙。如图1所示。

鉴于沉箱长边较长，在外荷载作用下底板的应力分布是否能满足规范假定的线性分布，有必要通过有限元软件进一步分析确定。

采用ABAQUS通用有限元软件对沉箱进行建模，其中沉箱结构的前后墙、侧墙、纵横隔墙、底板等均采用板单元。抛石基床与沉箱底板的相互作用采用弹性地基模拟，为反应地基软硬的影响，弹性地基系数分别取硬地基9000kN/m3；软地基5000kN/m3。

荷载作用考虑自重、波浪力、贮仓压力、门机非工作荷载等，且都采用了标准值。从基顶应力结果可看出，ABAQUS计算对地基弹性系数不敏感，10000kN/m3的硬地基及6000kN/m3的软地基得到的应力结果差异不明显，此结果与规范的计算方法相吻合。

对于本工程沉箱，在荷载作用下基顶应力基本呈线性分布。由此可知，即使本工程沉箱底板长边较长，但是由于底板厚度适中，内部隔墙的内撑作用，以及仓格填料的影响，沉箱整体刚度仍保持较好，ABAQUS计算结果与规范算法吻合较好。

基顶应力在隔墙处有一定的变化，局部呈现出非线性特征，此特征在规范算法中无反应。简单分析可知，底板在受到由下而上的基顶反力时，隔墙处竖向刚度较大形成了支座效应，从而导致隔墙处的底板应变较大，因此底板在隔墻处应该有较大的支座剪力及弯矩，计算时应详细分析。

如图2、图3所示，提取了有限元计算的底板剪力；图4、图5提取了有限元计算的底板弯矩。

为了对比有限元计算结果，这里给出了规范算法的底板剪力、弯矩标准值的计算结果，如表1所示。

由表1可见，对支座弯矩而言，有限元计算结果比规范标准值略小，规范计算结果偏安全。由于有限元弯矩结果中的应力集中相对较小，支座弯矩在仓格纵横两个方向的分配基本满足纵横仓格宽度平方的反比的关系。对跨中弯矩而言，有限元计算结果比规范标准值偏大，规范计算结果偏危险。

对支座剪力而言，有限元计算标准值比规范标准值纵横向偏大，规范计算结果偏危险。此外有限元计算的支座剪力由于存在着比较明显的应力集中，支座剪力在仓格纵横两个方向的分配不太满足纵横仓格宽度三次方的反比的关系，本工程有限元计算结果横向剪力仍比较大。

3、结论

（1）本工程沉箱在纵横隔墙和填料的共同作用下，整体刚度仍保持较好，基顶应力计算结果总体呈线性分布，与规范算法吻合较好；

（2）基顶应力在隔墙局部呈现出非线性特征；

（3）有限元计算的支座剪力由于存在着比较明显的应力集中，计算结果比规范算法偏大，设计时应重视沉箱支座剪力验算。

参考文献：

[1]谢乔木，丁建军.钦州某油码头沉箱内力数值分析[J].水运工程， 2009（7）：97-103.

[2]李元音，邓轩，刘永绣.关于矩形沉箱底板强度计算方法的探讨[J].港工技术， 2005（2）：20-22.

[3]乔友刚，孙承福，苏丽娟.沉箱结构的有限元分析[J].港工技术，2009，46（2）：20-23.endprint