超大型沉箱稳定性及其贮仓压力的物理模型试验及数值模拟研究

摘要

随着世界经济的持续发展以及全球化进程的加深，港口作为连接世界各国的桥梁与纽带也迎来了新的发展机遇。我国陆续兴建了很多大型码头以满足进出口贸易额的持续增加。重力式沉箱结构在地基良好的地区得到广泛应用，但目前采用的重力式码头设计规范，基本都是从以往已建的中小型重力式码头上总结而来。对于总高度高、重量大的超大型沉箱结构码头的设计缺乏经验，没有成熟的工程实例可供借鉴。因此对于超大型沉箱结构的研究在今后的码头建设及经济发展中起着至关重要的作用。
　　 本文首先对前人在相关领域的研究进行了归纳与总结，然后以福建省湄洲湾超大型沉箱结构散货码头为工程背景进行了物理模型试验研究。根据相似理论对沉箱的尺寸、荷载等工程条件进行缩放，按照码头在实际运行中可能产生的荷载组合进行试验，验证超大型沉箱结构在施工期及使用期各荷载组合作用下的整体稳定性。根据试验数据的分析，建议沉箱施工时在混凝土胸墙浇注后再进行墙后回填以减小沉箱在施工期产生的位移。沉箱在荷载作用下向海侧发生极小倾斜，结构保持稳定。进行破坏性试验时，增大后方荷载使得沉箱向海侧产生较大位移。建议在码头运行中尽量避免后方堆场长期超载使用。
　　 在模型试验完成之后，利用大型有限元分析软件ABAQUS建立三维数值模型，对超大型沉箱的整体稳定性进行数值模拟分析；针对数值分析结果中码头各部位出现的变形及应力集中等现象，对码头的施工及使用提出合理的建议。然后再建立超大型沉箱仓格的三维数值模型对贮仓压力进行数值模拟研究，将分析结果与现行规范中的贮仓压力计算公式的计算结果相比较，对比表明二者相差较小。实际工程中可能出现仓内填料为非单一填料的情况，针对此类情况进行数值模拟分析表明规范中贮仓压力计算公式不适用于非单一填料贮仓压力的计算。