高桩码头伸缩缝处挤压破裂的有限元分析

高桩码头伸缩缝处挤压破裂的有限元分析

在使用高桩码头时，不仅受到门车荷载、船舶碰撞等外力作用，而且受到由材料热胀和收缩引起的温度应力和自身不均匀沉降引起的沉降效应。通过在结构段与结构段之间留有伸缩缝,使相邻结构段之间可以产生相对变位,用来释放温度应力和沉降应力。伸缩缝的结构和构造形式直接影响码头分段之间传递水平力的性质。伸缩缝与沉降缝一般均结合起来设置(简称“伸缩缝”)。按照《高桩码头设计与施工规范》,伸缩缝的宽度为20～30mm,在实际工程中,一般取20mm。伸缩缝的间距即为码头结构的分段长度。调查发现,一些码头按照规范要求的伸缩缝宽度为20～30mm进行设计施工,而且也采用了规范建议的分段缝形式,但是使用几年后却在伸缩缝周围存在不同程度的问题,有问题的伸缩缝数占被调查伸缩缝总数的90%左右,严重影响了码头的安全和使用。目前,国内外对于高桩码头分缝处工后缝宽的研究及相关成果很少,无法为码头设计方案的优化和施工条件的确定提供理论支撑。因此,有必要结合目前的工程实践,通过有限元方法建立三维实体模型对工后缝宽进行理论分析,对高桩码头面板变形后在分缝处发生挤压接触、临界接触和没有接触3种情况的缝宽影响进行较全面地研究,从理论上分析不同缝宽时码头面板因变形产生的内力变化规律,为码头设计和施工条件控制提供依据。1三维有限建模1.1高桩港区缝宽分析技术ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。软件主要包括3个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。采用接触有限元分析技术能有效模拟结构缝接触过程,结合塑性屈服理论,有利于全面分析面板分缝处缝齿、缝槽的变形与内力情况。本文运用ANSYS软件,结合具体工程实例,分别对码头面板缝齿和缝槽的应力应变进行分析,对高桩码头分缝处工后缝宽的影响进行研究,并结合具体实例进行实际应用分析。由温度应力和不均匀沉降引起的变形,在伸缩缝两侧面板的横向变形方向一致,而纵向变形方向相反,易产生挤压接触,因此本文在有限元计算时,只给面板施加纵向位移荷载。1.2模型单元及接触单元的确定结合浙江沿海典型的高桩码头设计方案,建立与实际工程一致的三维模型。图1为码头面板分缝处缝宽为20mm的平面图,定义坐标系为:x指沿着码头长度方向,向右为正;y指沿着码头宽度方向,向海侧为正;z指高度方向,向上为正。码头面板模型单元类型选用SOLID185,共计11760个单元,15595个节点,划分网格如图2所示。面板材料选用C40混凝土,接触部分采用面-面接触,接触单元为contact174单元,目标单元为target170单元,模型右端面施加固定约束,左端面施加向右的x向水平位移,其大小为0.04m,分50步加载,每步步长为0.0008m。对面板变形后在分缝处发生挤压接触、临界接触和没有接触3种情况的缝宽影响进行全面的研究,将工后缝宽分为0.02m,0.03m,0.04m,0.05m和0.06m共5种情况。码头分缝之间假设填满弹性填充材料,材料的弹性模量为2.5×105Pa(以往工程中多以木丝板填充,这种做法在高桩码头设计中沿用了多年,收到了很好的效果)。1.3缝宽和缝槽变形响应分析图3和图4显示了缝齿等效应力和塑性应变随X向水平位移变化。从图3可以看出,面板发生变形到相互接触之前,缝齿内部的等效应力随水平位移的增大而线性增长,此阶段码头面板间的水平作用力由填缝材料进行传递,不同缝宽的缝齿都处于弹性变形阶段,等效塑性应变为零,等效应力曲线的斜率主要受到填缝材料弹性模量的影响。当水平位移达到0.02m时,缝宽为0.02m的码头面板首先开始接触,此时码头面板缝齿内部的等效应力急剧上升,先后经历弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、屈服阶段和破坏阶段。在此过程中,缝齿的等效塑性应变在接触发生后首先表现为线性增长,进入弹塑性变形阶段后为非线性增长,在水平位移达到0.0276m左右(即缝齿处于屈服阶段)以后,开始急剧上升(图4)。当水平位移达到0.0296m时,模型破坏,即缝宽为0.02m的面板模型能允许的最大水平位移为0.0296m,面板接触以后的允许继续变形量ΔDp为0.0096m。在水平位移增大的过程中,缝宽为0.03m的缝齿所经历的阶段与缝宽为0.02m的缝齿相似,水平位移达到0.0392m以后,模型破坏,即此种缝宽情况下的面板模型允许的最大水平位移为0.0392m,面板接触以后的允许继续变形量ΔDp为0.0092m(与0.02m的缝宽允许继续变形量不一致是由于计算时步长误差的影响,安全起见可以取0.0092m为本文所述模型不同缝宽时的最大继续接触变形量)。其余缝宽为0.04m,0.05m和0.06m的情况均未出现破坏,从图3和图4可以看出,缝齿还处于弹性变形阶段,塑性应变均为0。图5和图6显示了缝槽等效应力和塑性应变随x向水平位移变化。从图5中可以看出,面板发生变形到相互接触之前,缝槽内部的等效应力也随水平位移的增大而线性增长,不同缝宽的面板都处于弹性变形阶段。当水平位移达到0.02m时,缝宽为0.02m的码头面板首先开始接触,此时缝槽内部的等效应力急剧上升,先后经历弹性变形阶段和弹塑性变形阶段,没有达到屈服。在弹塑性变形过程中,缝槽的等效塑性应变随水平位移的增大开始线性上升(图6),直到缝齿处出现破坏。缝宽为0.03m的缝槽所经历的阶段与缝宽为0.02m的缝槽相似,在此不重复分析。其余缝宽为0.04m,0.05m,0.06m的缝槽均未出现破坏,从等效应力图和等效塑性应变图可以看出,缝槽还处于弹性变形阶段,塑性应变均为0。由此可见,相邻码头面板在临界接触(缝宽为0.04m)和没有接触(缝宽为0.05,0.06m)这2种情况下,缝齿和缝槽的受力和变形主要与填缝材料的力学性能有关,此时相邻面板间虽不会发生挤压破损的情况,但面板间相互约束变形的作用也并不明显。当面板发生挤压接触(缝宽为0.02,0.03m),挤压变形在允许的最大继续变形范围内(即为0.0092m)时,面板不会出现破坏,而如果继续变形超过了允许的范围,则会在缝齿处出现破坏。因而,设计时如何根据不同码头规模和用料的实际情况,确定一个合理的工后缝宽至关重要。2工作后重新设计2.1确定工后缝宽的公式在进行码头分缝设计时,要考虑温度应力引起的面板水平伸缩变形的影响、不均匀沉降引起的竖向变形的影响、构件制作和安装过程中的偏差影响等,综合以上各因素,伸缩缝设计宽度可用下式确定:式中:ΔD为伸缩缝设计宽度;ΔDac为工后缝宽;ΔDm为构件制作偏差,根据《港口工程技术规范》取10mm;ΔD为构件安装偏差,根据《港口工程技术规范》取15mm。码头分缝缝宽设计时,考虑了多种因素的影响。但施工完成后,码头的工后缝宽在一些因素的影响下往往与设计值偏差较大。为了排除施工、制造过程中各种不确定因素造成的干扰,更准确地研究分缝处实际缝宽对码头面板受力和变形的影响,需要对工后缝宽进行专门的研究。而工后最小缝宽也是决定分缝处安全与否的关键因素,其主要与温度应力引起的变形、不均匀沉降变形和码头面板接触后允许的最大继续变形有关。根据以上分析,提出一个确定合理工后缝宽的新思路:先计算出码头的最大可能变形量ΔD′,即温度应力和不均匀沉降引起的总变形,再利用有限元法确定某种工况条件下允许的最大继续变形ΔDp。进而求出工后最小缝宽ΔDacmin,即最大可能变形与码头允许的最大继续变形之差。从相邻面板间约束变形和防止破坏的角度考虑,合理的工后缝宽范围应该在工后最小缝宽ΔDacmin到最大可能变形ΔD′之间取值。由于缝齿处的受力和变形往往大于缝槽处,所以最理想的工后缝宽值ΔDac应该是码头面板发生最大可能变形,缝齿处于屈服阶段时的缝宽大小。这样在保证分缝处结构安全的前提下,可以缝齿和缝槽最大限度地发挥材料的性能和相邻面板之间约束变形的作用。因而本文提出确定合理工后缝宽的公式如下:式中:ΔD′为最大可能变形量;ΔDacmin为工后最小缝宽;ΔDt为由温度变化引起的构件伸长,ΔDt=αΔtL,其中α为混凝土线胀系数,一般取α=1.0×10-5℃-1,Δt为施工季节时温度与最高温度及最低温度之差的大值,L为码头面板分段的长度;ΔD为结构不均匀沉降等变形带来的伸缩缝变化,一般工程中取10mm;ΔD为码头面板允许的最大继续变形,与所使用的材料有关。2.2缝宽和土体应力应变模型为了验证本文提出的确定工后缝宽的思路是否合理,结合具体工程实例进行分析。本文所依据的实际工程为9排桩码头,相邻伸缩缝之间的长度即分段长度为72m,施工温度为当地多年平均气温16.3℃,当地历年极端最高气温为39.7℃,多年最低平均气温为12.7℃,最大温差为23.4℃,本模型所允许的最大继续变形为9.2mm。根据公式(2)计算得温度应力变形ΔDt为16.8mm,最大可能变形ΔD′为26.8mm,工后需要的最小缝宽ΔDac为17.6mm,所以工后缝宽可取规范下限值20mm,根据式(1)可知设计缝宽为45mm。使用上文的有限元模型,设置工后缝宽为20mm,最大变形为26.8mm,分50步加载,每步步长为0.536mm。依据计算结果整理出分缝处的等效应力和等效塑性应变与X向水平位移关系如图7和8所示(主要为发生接触以后的情况)。可以看出,缝槽还处于弹塑性变形阶段,缝齿则经历了弹性阶段、弹塑性阶段并刚好达到屈服状态,正是预期的理想状态。可见,根据本文所提出的确定工后缝宽的思路,可以使设计出的缝宽在满足分缝处结构安全的基础上,充分发挥了码头材料的性能和面板的约束作用。3分缝宽度的确定临界接触和没有接触的工况对分缝处结构不会造成破坏,挤压接触时只要工后缝宽合理也不会发生破坏。因而一个合理的工后缝宽对码