码头变形监测及数值模拟分析

码头变形监测及数值模拟分析

殷朋

青岛港国际股份有限公司港建分公司山东青岛266000

摘要：为适应国内外运输的形势，提高港口码头吞吐能力，许多港口在原有码头的基础上采取加固水工构件、减小岸坡比例、码头泊位浚深、航道改造等措施，增加原有泊位的吞吐能力。本文主要就工程的概况，对码头变形监测、有限元法、模拟数值进行了分析。

关键词：码头；变形监测；数值模拟

1、前言

在码头泊位浚深过程中，由于原有的受力平衡被打破，水工构件所受到的侧向压力增大，造成码头整体或局部变形。码头水工建筑物，尤其是重力式码头结构在建设及运营过程中通常会发生位移和沉降，对码头工程的安全及正常使用造成不利的影响。因此，十分必要进行监测，通过监测工作及时发现问题，提供码头变形数据，是保证水运工程规划、设计、施工、运行和船舶安全航行的必要措施。

2、工程概况

工程码头共建设5个5-15万吨级泊位，采用双侧靠船布置型式，突堤长度为1175m。其中2个15万吨级泊位布置在端部码头的两侧，码头面高程4.5m。5-10万吨级泊位码头前沿设计底标高均按照10万吨级泊位计算，取为-15.5m；15万吨级泊位码头前沿设计底标高近期取为-15.5m，预留为-19.0m。码头方位角为121°-301°，码头前沿线距起步工程防波堤轴线距离为106m。

根据地质情况、当地的施工条件和周边已有码头结构，续建工程以重力式沉箱结构和高桩梁板结构方案进行码头结构比选。重力式沉箱结构具有码头结构耐久性好、对荷载的适应能力强、施工速度快、价较低、抗腐蚀性能较好等优点。经比选，将重力式沉箱方案作为续建工程码头推荐方案。

3、码头变形监测

3.1监测点布置

根据码头结构形式，码头变形观测点共86个，北侧变形观测点24个布置于码头前沿线系船柱平台上，除15万吨级泊位南侧变形观测点10个布置于码头前沿线系船柱平台上外，其他吨级泊位变形观测点布置于码头轨道梁后轨，共24个，所有变形观测点均约每50米一个。变形观测点浇注强制对中螺栓；码头胸墙面层上布置28个变形观测点。

3.2监测结果

①码头沉降量。A码头北侧：码头沉降量最大为N04点，沉降量为-26.65mm，沉降量最小为N15点，沉降量为-0.23mm。B码头南侧：码头沉降量最大为S05点，沉降量为-58.74mm，沉降量最小为S20点，沉降量为-0.30mm。

从监测数据上看，最大的沉降量位于码头后方，最小的沉降量位于码头中部，码头北侧N16至N2点以及码头南侧S21至S24点为正值，由于负值表示下沉，说明码头前方有所上升，而且最大的变化量都位于码头最前端。

②码头位移量。由于受天气以及船舶停靠影响，只对部分观测点进行了位移监测，但依然具有代表性，能够掌握码头整体的位移情况。正值表示垂直于码头方向向海测的位移，从监测数据上看，码头北侧最大位移在N15点，位移量为65.64mm，最小位移在N02点，位移量为-0.82mm；码头南侧最大位移在S17点，位移量为73.23mm，最小位移在S07点，位移量为8.784mm。

4、有限元法及ABAQUS简介

4.1有限元法

有限单元法最初是在二十世纪五十年代作为处理固体力学问题的方法出现的，它是所谓的结构分析矩阵方法的一个分支。

有限元法是应用最为广泛的数值方法，根据不同的本构关系和计算模型来模拟复杂的过程和现象。目前广泛使用的是线弹性有限元法、弹塑性有限元法、损伤有限元法、统计岩土模拟有限元法等。对工程的研究、设计甚至监测工作都有重要的影响。在工程研究方面，过去主要依靠模型试验，现在有限单元法已成为一个重要的研究手段，并已取代了部分模型试验工作。在工程设计方面，由于有限单元法的应用，对一些复杂的工程问题加深了认识，从而有利于提高设计的质量。有限单元法在工程监测方面的应用，也提高了监测的水平。

4.2ABAQUS简介

ABAQUS是一套基于有限元方法的工程分析软件，它既可以完成简单的有限元分析，也可以用来模拟非常庞大复杂的模型，解决工程实际中大型模型的高度非线性问题。

ABAQUS不仅能进行有效的静态和准静态的分析、模态分析、瞬间分析、弹塑性分析、接触分析、碰撞和冲击分析、爆炸分析、断裂分析、屈服分析、疲劳和耐久性分析等结构和热分析，而且可以进行流固耦合分析、压电和热电耦合分析、声场和声固耦合分析、热固耦合分析、质量扩散分析等。ABAQUS在很多国家得到了广泛的应用，涉及多个工程领域。

5、码头变形的数值模拟

5.1码头模型建立

码头结构采用重力式沉箱码头，10万吨级泊位沉箱为9个仓格，沉箱重1800t，高16.8m，底宽16.8m，包括前、后趾长1.0m，每个仓格尺寸为4.5m×4.0m；沉箱前、后墙、侧墙均厚0.40m，隔墙厚0.25m，每个沉箱纵向长为13.30m，单个沉箱混凝土用量为733m3。共用50个沉箱。15万吨级泊位单个沉箱尺度为：13.3m×16.4m×20.3m，单个沉箱重2123t。码头横向由两个沉箱并排安放组成，码头宽度为32m，两个沉箱底宽共为33.1m，前趾长1.0m，每个沉箱共9个仓格，仓格尺寸为4.8m×4.0m和4.5m×4.0m；沉箱前墙、后墙、侧墙均厚0.40m，隔墙厚0.25m。单个沉箱混凝土用量为867m3。共用72个沉箱。仓格内回填10~100kg块石，沉箱上现浇钢筋混凝土盖板，上部现浇钢筋混凝土胸墙。为减小基床应力，沉箱设置了前、后趾。为减少墙后土压力，沉箱后回填山皮石。沉箱作用在抛石基床上，基床厚度为3.5～5.0m。

码头长度根据船舶靠泊、系缆、装卸作业等要求确定。本工程共建设2个15万吨级泊位以及10万吨级泊位、7万吨级泊位、5万吨级泊位各1个，其中15万吨级泊位布置在突堤端头处，按双侧靠船考虑。根据规范中泊位长度的计算规定进行计算，本工程突堤码头长度为1175m。

由于码头结构较长，为了便于计算，文本选取了码头前方的15万吨级泊位进行模型的建立。根据码头设计文件，利用ABAQUS软件建立了码头前端的模型。

5.2定义材料属性

将码头沉箱视为线弹性材料将沉箱视为线性弹性材料，弹性模量为2.0E9，沉箱的泊松比取为0.17，令沉箱的重度取35kN/m，沉箱内才有块石回填，块石的弹性模量为1.0E8，泊松比取为0.33，密度取1250kg/m3。

5.3定义荷载及边界条件

荷载类型主要分三大部分，自身重力、上部结构荷载及潮水荷载。

由于潮位的变化，潮位荷载的加载比较困难，所以这里重点讨论潮水荷载。2000年10月16日～2001年10月15日，在港区水域进行了为期一年的潮位观测，实测资料统计分析如下：

①高程关系

②潮位特征值

该海区潮汐性质属于不规则日潮，其（HO1+HK1）/HM2=0.81。见下面的潮位统计表。

③设计水位

所以根据设计的水位，潮水荷载以极端高水位时进行加载。除此之外，还需要进行边界条件的定义，由于是选取的部分码头进行建模，所以对码头一端进行固定约束。只针对码头沉箱的变形，而不考虑基床的影响，对码头沉箱底部也同样采取固定约束。

5.4网格划分

因为码头结构比较规则，所以采用正六面体单元进行玩格斗划分。

5.5计算结果及分析

在静力荷载的作用下对沉箱码头进行计算，得出结果：最大沉降量为10.28mm，向海侧偏出的最大位移量为7.43mm。相对于整个码头模型，由于变形量较小，在云图里无法很好的体现，所以选取了部分节点的变形量绘制成曲线，并与实际观测数据比较。

模拟的位移量基本与实测的位移量保持一致，但是模拟沉降量偏小，而且大部分是沉降的，而实测的沉降量较大并处于抬升。原因是上部结构荷载的原因，码头上部结构荷载主要是装船机以及其他辅助机械。这些都属于动荷载，而且实际情况较为复杂。利用软件模拟的上部结构荷载是较为理想的，并采用了均布荷载。这就是导致了沉降量差别较大的原因。

6、结论及建议

6.1根据实测数据和数值模拟分析，在静力作用下，码头出现了向海侧整体的移动，并轻微想码头南侧转动。而码头的沉降最大部位位于码头后方，其中部沉降量最小，在码头前端稍有抬升。

3.2在数值模拟方面，还有待改进的地方。首先，上部结构荷载情况十分复杂，装船机的移动，人员、车辆及机械设备等，这些动荷载对码头的变形有一定的影响；其次，还需要考虑到风浪作用对码头的损伤。

6.3计算结果表明对于大型结构应用大型通用软件进行数值计算，能全面直观的反映模型的实际变化状态情况。但由于实际的影响因素较为复杂，还需要在以后的工程应用中进行改进，使得更加接近工程的实际情况。

参考文献：

[1]柯国贵.重力式码头沉降位移的应对措施[J].水运工程.2011（02）

[2]黄长虹，韦灼彬.海港码头结构健康监测[J].水运工程.2009（04）