广义结构刚度在高桩码头构件重要性评价中的应用

2015-07-19赵冲久哈尔滨工程大学黑龙江哈尔滨150000

中国新技术新产品 2015年8期

骆城赵冲久（哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150000 ）

骆城赵冲久
（哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 150000 ）

本文回顾了理论和工程中较为常见的构件重要性评价方法，其中广义结构刚度法物理含义明确，计算较为简便，尤其适合于高桩码头结构，值得在工程设计及结构评估中推广应用。采用此方法对高桩码头结构在水平荷载作用下的构件重要性进行了分析，得出了一些有意义的结论。

广义结构刚度；高桩码头；结构评估

一、引言

JTJ 302-2006 《港口水工建筑物检测与评估技术规范》中规定，基本单元（个别构件）的最低等级决定子单元（某类构件）等级，进而得到评估单元（码头）等级，这就导致如果存在少数破损严重的构件，即使其他部位完好，该码头评级也会很低。这种针对结构构件的评估方法是沿用了拟建结构的设计方法，即要求每个构件在一般正常荷载作用下其极限作用效应都应满足要求。但是该方法对于既有结构的评估不太适用，既有结构评估应更加关注不同类型、不同部位的构件失效或破坏对整体结构的影响，这就需要根据某种甚至某个构件的破损程度综合评估整个结构的状态，从而对结构进行评级，而非采用水桶短板原则，最差构件的等级即为整个结构等级。如何判断某个构件在结构中的重要程度呢？这就需要引入一个构件重要性评价指标。

二、现有的结构构件重要性评价方法

朱崇诚等提出的基于系统可靠性理论的在役码头可靠性评价方法，其缺点是构件在结构中相互耦合，使得构建结构失效树特别困难。同时还需要对荷载、承载力等因素的分布进行假设，因此难以应用于一般的工程结构。

张雷明提出基于能量流的构件重要性评价指标，通过比较拆除构件后对结构总应变能的影响来确定该构件的重要性。其缺点是：指标数值区间为1～+∞，数值与重要性程度非线性关系。

孟静提出采用专家评定法来判断构件的重要程度，即要每个专家对多种构件两两比较，最后得到一个总的重要性矩阵。该方法有3个缺点：（1）主观不确定性较大。受到认识手段、信息资源等限制，不能保证对事物认识的准确性和确定性。（2）没有考虑结构的拓扑关系和刚度分布，即使是相同类型的构件，在空间分布的位置不同，对结构抵抗外力所起的作用也不相同。（3）没有考虑荷载作用属性（分布、量值和传力路径）的影响。显然在码头面堆载和船舶撞击过程中，不同构件所起的作用肯定会不同。

因此需要引入一种能同时考虑结构本身属性和荷载属性的定量的结构评估方法。叶令平提出基于广义结构刚度的构件重要性评价指标。在保守线弹性结构中，F=Fmaxv，其中F为作用在结构上的荷载向量，Fmax为向量中最大值，v为荷载分布向量。荷载F作用于结构所产生的变形能U=FTD/2=FTK-1F/2=F2maxvTK-1v，其中D为位移向量；K为结构刚度矩阵。定义广义力为Fstru，与广义力相对应的结构广义位移为Dstru，则变形能可表示为U=FstruDstru/2=F2stru/2Kstru，其中Kstru=Fstru/ Dstru为广义结构刚度。对比上述变形能的两个表达式可得广义结构刚度Kstru=1/vTK-1v，则变形能可写成U=F2max/2Kstru，整理得Kstru=F2

max/2U，上式表明特定荷载下的广义结构刚度Kstru可以通过计算该荷载在结构中产生的变形能来获得。定义构件的重要性评价指标I=（Kstru,0- Kstru,f）/Kstru,0= 1-Kstru,f/ Kstru,0=1-U/Uˊ，其中Kstru,0为完整结构的广义结构刚度，Kstru,f为拆除构件结构的广义结构刚度，Uˊ为拆除构件结构的变形能。由于Kstru,f≤Kstru,0，因此I的数值在0～1之间。0表示该构件对结构的广义结构刚度没有贡献，1表示该构件及其重要，一旦被去除，结构将产生无限大的变形。由此可以看出构件的重要性评价指标有着明确的物理意义。广义结构刚度不同于刚度，刚度是结构的固有属性，而广义结构刚度，即与结构刚度有关，又与结构上的荷载分布有关。

广义结构刚度法克服了上述专家评定法的三个缺点，同时考虑了结构属性和荷载属性，提供的数值也有明确的工程意义，因此值得在实际工程中推广应用。

三、数值模型及结果解析

本文采用广义结构刚度法对高桩码头前承台进行计算，得到各构件的重要性评价指标I，采用的高桩码头有4榀横向排架，每个排架从前向后依次布设了两根独立直桩和一组叉桩，在桩帽上方搭设横梁及纵梁，再在梁构件上安装面板。

本文采用ABAQUS对结构进行数值分析，面板、梁及基桩的材料及截面属性均依照天津港某集装箱码头构件的实际情况得出。梁构件与基桩之间的连接采用共节点方式，梁与面板采用绑定方式连接。荷载施加在第2榀前沿位置，方向指向码头岸线方向，数值为100000N。基桩下端约束了三个方向的平移自由度。首先计算完整结构的变形能U，然后依次“拆除”各构件，再次计算得到结构的变形能Uiˊ，根据上述公式得到各个构件的重要性评价指标，见图2。

图2中圆点为荷载作用位置。位于面板中央的数值为面板的重要性评价指标值，即I值；面板四周的数值为梁构件的I值，左右两侧为横梁，上下为纵梁I值；面板角点处为基桩的I值，其中前两排为直桩，第三排下方为两根叉桩。

从计算结果可以看出：

1 所有构件的重要性评价指标均较小，说明每个构件都不那么重要，单个构件失效不会对结构产生太大影响，结构鲁棒性很好。

2 上部结构，包括面板、横梁和纵梁的值相比于基桩的要小得多，其最小值为0.0012，最大值为0.0111，平均值仅为0.0033。说明上部结构的单个构件对结构抵抗水平变形的贡献较小。码头实际运营中，即使单个构件出现严重的破损，只需在码头面上对出现破损的位置进行圈围，限制流动荷载及堆载，并及时进行维修即可，不会影响码头结构正常的系泊及装卸作业。

3 基桩的重要性评价指标最小值为0.0547，最大值为0.0765，平均值为0.0668。基桩对结构抵抗水平变形的贡献明显要强于上部结构构件。值得注意的一个现象是，后排单根叉桩的重要性评价指标要小于前排单根直桩，这与高桩码头结构叉桩主要承受水平荷载的常规认识不一致。出现此种情况的原因可能是跟特定荷载形式有关，如果水平荷载与码头前沿呈一定角度，叉桩的抵抗水平力的作用会得到更充分的发挥。