摘要： 本文主要介紹了利用有限元法對大體積混凝土結構——瀾滄江大水位差碼頭三維數值分析,探討混凝土結構內力分布規律和塑性破壞行為。分析得到了三維實體模型各構件的內力;分析了船舶荷載中的系纜力對架空直立式碼頭某些構件的影響;探討了架空直立式碼頭結構計算的結果與堆場荷載位置的關系;得到了結構在承受最高層撞擊力作用時的塑像破壞過程。

　　關鍵詞： 框架碼頭,大水位差,內河,有限元法,結構計算

　　1引 言

　　架空直立式碼頭結構一直以來都是在海港工程中應用，隨著瀾滄江港口迅速發展，架空直立式碼頭以能很好的適應內河大水位差變化，裝卸效率高，通過能力大等優點，已為內河集裝箱碼頭的設計的選擇方案。研究適應于瀾滄江內河港口大水位差集裝箱碼頭的經濟實用、高效先進的碼頭結構型式，具有非常重要的現實意義。在我國國內，重慶寸灘港首次在內河中采用架空直立式碼頭結構。

　　本文首先總結前人經驗，根據瀾滄江碼頭的結構特征，采用實體單元對其進行彈性和塑性三維數值分析，真實有效地模擬出寸灘結構的特性，并將計算結果與采用梁單元的計算結果進行對比分析，為工程技術人員提供了重要的參考數據。

　　2三維分析的基本理論依據

　　混凝土材料的真實性質和強度是十分復雜的，與諸多因素有關，這一現象取決于骨料和水泥的物理和力學性質，以及加載類型。因此，為了實際應用，在混凝土材料強度特征的數學模型中極度理想化是必要的。本文將采用Willam-Warnke五參數模型對寸灘結構進行塑性分析。

　　2.1混凝土的本構關系及破壞準則

　　五參數模型中的彎曲的拉伸子午線和壓縮子午線用二次拋物線形式表達為

　　其中， 是平均應力; ， 分別是垂直于 和 處靜水壓力軸的應力分量; 是材料常數。注意到所有應力統一用 表示，即在式(1-2)中的 ， 和 分別表示  。

　　由于這兩個子午線必須與靜水壓力軸交于同一點，所以有

　　剩下的五參數可由五個典型的試驗決定，一旦這兩個子午線由一系列試驗數據確定，那么橫斷面就可通過子午線和使用適當的曲線來構成。

　　Willam和Warnke的破壞曲線是外凸且處處光滑的(Willam和Warnke，1974)，他們是通過是使用一條橢圓曲線的一部份得到的。由于三部分對稱，只需考慮0o≤θ≤60o的部分，在偏截面上，與參數 ， 有關的橢圓形表達式用極坐標給出為

　　在式(3)中能夠得到兩種極限情況。首先，當 =1時，橢圓退化成一個與Von Mises或Druker-Prager模型的偏斜軌跡相似的圓;其次，當 的比值接近1/2時，偏斜軌跡變成為三角形，當 =1/2時，三角形偏斜曲線在壓縮子午線處存在一個角。

　　3云南瀾滄江內河港區現狀及建港條件

　　瀾滄江—湄公河是世界上第三大國際河流，全長4880公里，發源于中國青藏高原的唐古拉山，流經中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南。在我國境內2130公里，中緬界河31公里，流域面積16.74萬平方公里。在云南境內1247公里。瀾滄江兩岸植被繁茂，水量充沛，多年平均流量1804，一般枯水流量在500。瀾滄江河槽單一，河道流經高山峽谷和丘陵地區，河床穩定。

　　目前，瀾滄江-湄公河流域港口裝卸工藝十分落后。從已建成投入使用的思茅港、景洪港和關累港來看，港口配備裝卸機械很簡陋;也幾乎沒有堆場和倉庫。平面布置上全采用下河公路形式，裝卸作業全靠人力。目前貨運主要是件雜貨，“船D車”裝卸過程全部是采用人力搬上搬下，其裝卸效率低、勞動強度大、裝卸船(車)時間長，貨損嚴重，同時造成大量貨物滯港，嚴重影響港口通過能力。此外，由于全部采用人力裝卸，也限制了裝卸貨物的種類和規格，從而不能充分發揮港口對腹地經濟的促進作用，也不利于港口自身的建設與發展。如今隨著瀾滄江——湄公河國際航運的發展，水運在云南的經濟建設、外貿和地方社會發展中的作用越來越明顯。隨著外貿發展和云南經濟建設對水運交通的需求以及國際水運的發展趨勢，件雜貨已向成組化、集裝箱化方向發展，云南現有碼頭簡單的、落后的裝卸工藝已遠不能滿足水運交通的要求和運量增長的要求。

　　瀾滄江上現已建有兩個較大的港口，思茅港和景洪港。思茅港又包括思茅港區、南得壩港站和虎跳石港站，景洪港包括景洪港區、勐罕港站和關累港站。思茅和景洪建設有較正規的碼頭。但均為單一的下河公路，包括正在建設的關累港，也是采用的下河公路型式。目前通過的主要為糧食、日用雜貨、水泥和農副產品以及部分輕工產品。目前瀾滄江上航運的船舶有198艘，主要從事境內區間客貨運短途運輸，少部分船舶從事外貿運輸任務。

　　隨著近年東南亞經濟的騰飛和我國西部大開發戰略的實施，思茅港和景洪港貨運量發展較快，集裝箱運輸的發展已提上了議事日程。在建的思茅港也在一定程度上考慮了集裝箱發展的需要。從貨源和運輸條件的發展上來看，云南瀾滄江集裝箱建港條件較成熟。

　　4三維有限元數值分析

　　4.1彈性建模及單元劃分

　　依據碼頭的結構及力學特點，可將砼面板折合成均布荷載施加于橫梁，橫梁、樁、立柱、橫撐、縱撐組成的排架結構進行計算。

　　取一個碼頭分段(6跨7榀排架，寬39m)，砼面板采用3-D彈性殼單元，其他構件均采用3-D彈性實體單元建立模型。模型共有129877節點，劃分了81794個單元，有限元模型及單元劃分見圖1-2。

　　4.2邊界條件

　　三維實體模型均對樁基嵌固點設置為固結，使其在各個方向的位移均為零，嵌巖深度取4倍樁徑[3]。

　　4.3荷載計算[4]

　　1) 永久作用荷載

　　各構件自重均按密度2500㎏/ 、重力加速度為9.8m/s施加。

　　2) 可變作用荷載

　　(1)船舶荷載

　�、傧道|力：N=450 系纜力的橫向分力：NX=225 ;系纜力的垂直分力：NY=390 ②撞擊力：FX=1030 (2)集裝箱裝卸橋

　　集裝箱裝卸橋產生的最大輪壓為250kN,每個支腿8個輪子，共四個支腿。建模時在軌道梁上建立32個立方柱(邊長0.1m)分布在四個支腿上，在立方柱底面施加250kN的力用來模擬裝卸橋荷載。

　　(3)堆荷：30 /m2。

　　4.4荷載組合

　　為解決內河架空直立式集裝箱碼頭結構計算中的荷載組合問題，采用單位力法對可能出現的荷載工況進行了有限元計算，得到了結構各主要構件的內力控制值以及相應的最不利荷載組合情況。

　　4.5塑性分析及加載

　　混凝土是一種復合的多相材料，內部結構非常復雜，并且結構物上部結構的復雜性及所受荷載的多樣性，要精確分析寸灘結構從加載到破壞的全過程是十分困難的。分析中，只在結構中施加自重及在頂部施加均部荷載。荷載分兩步施加，第一步計算結構的自重(9.8m/s)荷載，第二步再在碼頭結構上部前邊梁上施加6700kN的撞擊力直至結構進入塑性破壞。

　　4.6混凝土參數

　　5計算結果及分析

　　彈性分析結構計算云圖和結構塑性區如下：

　　通過以上計算和分析，可以看出：三維實體模型分析結果與空間框架模型分析結果能夠比較好的吻合，實體模型分析復雜結構時，是可靠有效的。在何載作用下，一般混凝土結構是帶裂縫工作的，混凝土中的裂縫是隨何載增加而不斷發展。結構在撞擊力作用下最先出現塑性區的地方發生在第二排第二根立柱的頂端。

　　6結束語

　　本文運用三維數值分析方法，得到大量結構反應信息，諸如結構位移，應力、應變的變化，混凝土的壓屈，破壞荷載，并且對內河大水位差架空直立式集裝箱碼頭結構進行彈性分析的基礎上，對靜荷載作用下混凝土結構塑性破壞進行了分析，同時結合實際工程總結歸納，得出以下幾點結論：

　　(1)三維實體模型計算的結果普遍比空間框架的計算小，而且更符合實際的測試值，說明三位實體模型比空間框架模型的計算更為準確，空間框架計算數值偏大，比較保守。

　　(2)船舶荷載中的系纜力盡管在數值上遠小于撞擊力，但其對架空直立式碼頭某些構件的計算起著主導作用，在計算中應引起足夠的重視。

　　(3)架空直立式碼頭結構計算的結果受堆場荷載位置的影響是非常敏感的，在計算過程中不容忽視。

　　(4)結構在承受最高層撞擊力作用，首先進入塑性破壞的地方在第二排橫梁與第二排立柱接觸的地方，之后最后一排樁以及最低層橫撐連接處均出現塑性區，總體來看，立柱與聯系撐、橫梁接觸的部位以及樁底部出現塑性破壞。

　　參考文獻：

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