重力式码头抗滑、抗倾稳定性可靠度研究

重力式码头抗滑、抗倾稳定性可靠度研究

发表时间：2018-05-23T10:35:40.280Z 来源：《基层建设》2018年第6期作者：王小清

[导读] 摘要：重力式码头是靠自身的重力来保持其在各种荷载下稳定性的一种结构形式，所以抗滑、抗倾稳定性是重力式码头设计中验算的主要内容。

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摘要：重力式码头是靠自身的重力来保持其在各种荷载下稳定性的一种结构形式，所以抗滑、抗倾稳定性是重力式码头设计中验算的主要内容。码头稳定性的影响因素非常多，在码头结构设计过程中应综合考虑多项影响因素，这样才能达到预期的使用要求。但是近年来重力式码头失事时间接连不断，通过调查研究发现，事件出现的主要原因在于结构整体抗滑、抗倾稳定性不够。基于此，本文从对重力式码头抗滑、抗倾稳定性可靠度进行研究。

关键词：重力式码头；抗滑；抗倾；稳定性；可靠度

1影响可靠度的因素

港口工程结构设计影响的因素很多，仅荷载就有数十种之多；短期内要进行调查、勘测、统计是不可能的。如码头面堆货荷载、门座起重机轮压、波浪力和土压力等，是码头和防波堤的主要荷载，近年通过对国内海河主要港口，大量波浪测站资料和主要砂场、石场，进行了大量的调查、测试和统计分析工作，取得了十分可贵的成果；而船舶系缆力、挤靠力等，对结构设计可靠度的精度影响不是很大。沿海、内河环境条件极为复杂，全面查清其设计特性，非短时间所能办到。目前采用的以分项系数表达的概率极限状态设计法，以后逐渐向直接的概率极限状态设计过渡。现阶段这样做的优点是：在掌握了主要的基本变量的统计特征的基础上，运用可靠度理论校准了按现行设计相近的分项系数表达式，既便于与现行设计方法相比较，也易为广大设计人员接受。统一标准所规定的目标可靠指标，总体上与现行设计的可靠度水准相当，对个别不合理的有所调整，根据长期的实践经验，应认为其可靠性是有保证的。 2重力式码头可靠度分析

墙身结构直接决定了重力式码头结构形式，按照墙身施工方法可以将其分成干地现场浇筑结构与水下安装的预制结构。按照墙身结构可以将重力式码头分成沉箱码头、方块码头、大圆筒码头等。沉箱是一种巨型有底的空箱，箱中利用纵横隔墙将其隔成不同的舱格，沉箱码头的水下工作量非常小，整体上结构性较好，具有较强的抗震性能，施工速度非常快，但是耐久性却并不好，施工中需要大量钢材，需要利用专门设备与施工条件。通常情况下可用于预制沉箱的设施比较大，而对于短工期的大型码头来说可以利用沉箱结构。按照沉箱平面形式来说，可以分成圆形与矩形两种，其中圆形沉箱具有较好的受力情况，通常按照构造配筋，箱中不需要设置隔壁，这样不仅可以节省混凝土，同时还能明显减轻沉箱重量，而环形箱壁对水流的阻力是比较小的。其缺点在于模板非常复杂，通常与墩式栈桥码头非常适合，尤其是水流流速比较大或者波浪较大的地区。矩形沉箱制作过程非常简单，比较适用于岸式码头。

2.1可靠度分析的基本思路

为了确保重力式码头的安全性，必须对抗滑稳定性进行可靠度的分析，保证其可靠指标大于规范规定的指标值。影响结构构件抗力的主要因素是材料性能，几何参数和计算模式，它们都是随机变量。港口工程结构设计的影响因素有很多，但是根据目前的条件，只能对可靠度影响较大的因素进行分析。荷载如码头面堆货荷载，波浪力和土压力等。抗力因素包括自重力，摩擦系数及抗倾力矩计算模式等。由此可定可靠度计算中的基本变量为码头面均布荷载，波浪要素中的波高，土压力计算中的土的重度和内摩擦角及码头自重力，摩擦系数，抗倾力矩计算模式等。

2.2功能函数

可靠度分析中需要确定功能函数Z=R-S，式中R表示结构抗力效应，S表示荷载效应。在不同可靠度计算公式中，R与S都表示着不同含义，不同组合都需要进行抗滑与抗倾稳定性可靠度计算。在持久组合抗滑稳定性计算过程中：

R=（G+Ey+Eqv）×f S=EH+EqH+PB

短暂组合抗滑稳定性计算：

R=（G-PBU）×f S=PB

式中，G表示结构自重，Ey表示土压力带来的竖向作用，Eqv表示堆货带来的竖向作用，PBU表示垂直波浪力，EH表示土压力带来的水平压力，EqH表示堆货荷载带来的水平作用，PB表示波浪压力带来的水平作用。

在可靠性分析过程中，将主导可变作用基准期定为50年，非主导可变作用基准期就是1年，在不能准确判断哪个是主导时，可以逐一确定哪个为主导作用，然后分别按照可靠性指标取值。如果随即变量基准期是50年、1年，这时平均值大小都不相同，可变作用分布通常会服从于极值Ⅰ型分布，这样就可以获得参数转化公式。

2.3可靠度分析方法

沉箱码头的可靠度分析需要考虑三个方面的问题。前面介绍了沉箱码头的结构和受力特点，可知沉箱码头的抗滑稳定性考虑的荷载主要包括沉箱自重力，填料土压力，堆货荷载产生的土压力，门机荷载产生的土压力，贮仓压力，系缆力及波浪力。其中以沉箱自重力的竖向作用为可靠度分析的抗力效应，以土压力的水平分力为荷载效应。

沉箱码头荷载效应和抗力效应的表达式是非常复杂的，利用求导数可靠度分析方法困难重重。故在此，本章亦采用不使用导数的一般计算方法，编制程序进行计算。对于沉箱码头结构，荷载效应计算中涉及堆货荷载和波浪力可变荷载的组合，由于设计使用期两种荷载同时达到最大值的可能性极小，所以需考虑两种可变荷载的概率组合。沉箱重力式码头断面示意见下图。

3重力式码头抗滑抗倾稳定性计算

3.1码头自重与稳定力矩

在开始码头结构设计之前，应了解码头自重，从而计算出每层方块的数量、质量及浮重度，同时还要了解稳定力矩，这就需要利用每层码头中心力臂，然后注意将这些值计算出来。

3.2土压力计算

土压力作用形式主要有可变作用与永久作用两种形式，通常情况下重力式码头后方回填利用无黏性材料，下面为回填无黏性材料挡墙后土压力计算公式：

（1）第n层土压力强度

可变作用：永久作用：

（2）第n层土压力合力计算

可变作用：永久作用：

3.3剩余水压力及力矩

重力式码头填料过程中，需要综合考虑到剩余水压力作用，下面是相关计算公式：（1）码头最低面和剩余水压力合力的距离

（2）剩余水压力产生的覆压力距

3.4码头稳定性验算

首先应对波浪作用的确定进行考虑，确定可变主导作用力，然后基于墙身、墙底及基床地面展开抗滑稳定性验算，同时还要对齿缝、水平缝及墙底面进行考虑，计算抗倾稳定性。

4结语

近十几年来，结构可靠性理论及其应用得到了迅速发展，“可靠性设计”的概念己普遍为工程设计人员所接受。在重力式码头设计过程中，应不断对现有技术进行改进，利用精确的数据展开计算，利用合理措施设施从最大程度上避免出现抗滑抗倾过程中出现的问题。

参考文献：

[1]《重力式码头设计与施工规范》（JTJ290-98）

[2]重力式码头结构变形监测与数值模拟研究[D].张小草.浙江工业大学2013