三峡库区散货码头升级扩建工程受力特性研究★

余 葵，张 鑫，刘宪庆，戴一锋，吴威力

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074； 2.重庆交通大学 重庆市桥梁通航安全与防撞工程技术研究中心，重庆 400074； 3.重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆 400074)

水路是“打不烂、炸不断”的生命运输线，新时代要求水运进一步提升服务保障能力，国务院发布的《全国安全生产专项整治三年行动计划》，要求建立防范化解安全风险的长效机制，健全安全管理责任体系。三峡库区具有运输成本低、运量大、覆盖广的优势，随着西部陆海新通道建设的推进，载货能力进一步提升，船舶大型化发展，码头货物吞吐量逐年增加，码头设施向大型化、专业化、现代化发展，既有散货码头装卸工艺已不能满足吞吐需求，亟需进行升级扩建[1]。对码头升级扩建工程中传送系统及地基受力特性变化规律进行复核计算，确保码头运营安全，提高安全生产保障能力，具有重要的研究价值[2]。

既有散货码头装卸工艺已不能满足吞吐需求，亟需进行升级扩建。皮带机朝着大运量、长距离、高运速的方向发展，具有结构简单、成本低、运输高效平稳等优点，在内河散货码头装卸作业中广泛应用[3-5]。皮带机负荷运作时，结构受力及变形不满足要求将导致垮塌事故。目前国内外学者对码头受力特性做了相应研究，Liu Xia通过建立带式输送机桁架有限元模型，分析不同荷载组合条件下主筋应力及位移[6]。Meng Limin等在对托辊进行有限元分析，提出了一种基于驱动辊理论荷载值拟合公式的加载方法[7]。Zhang Mingyuan等对三角支撑建立三维立体模型，分析应力及位移，并优化三角支撑[8]。针对地基不均匀沉降和变形问题，采用皮带机与栈桥结构一体化设计，多种地基稳定验算方法等[9-10]。

为满足码头所需货物吞吐量市场需求，三峡库区某散货码头通过能力由30万t提升到200万t，传送系统荷载增加，引起码头整体结构及地基受力特性变化。现有针对荷载改变引起码头整体结构受力特性的研究较少，本文分别建立皮带机、支架、码头整体结构受力模型，研究风荷载及重力荷载作用下结构受力及地基承载力特性变化规律并进行复核，为码头装卸安全和有效运行提供参考，所得成果对同类码头升级扩建具有一定的借鉴价值。

1 荷载计算

散货码头货物吞吐量逐年增加，为了提高通过能力，采用皮带机装卸工艺对原散货码头进行升级改造。本文依托三峡库区某散货码头改扩建工程，传送系统结构设计参数见表1。

表1 传送系统结构设计参数表

作用在皮带机支腿上的荷载包括：运输货物及皮带的自重和作用于皮带机上的风荷载。带式输送机每米输送碎石质量计算如下[11]：

(1)

其中，qG为每米输送碎石质量；Iv为输送效率；ρ为碎石密度；v为输送速度。

经计算得qG=166.7 kg。

考虑皮带机钢结构每个支腿沿长度方向的受力范围为0.75 m，构件计算时的散货荷载分项系数取1.5，固定设备重力分项系数取1.2[12]。则考虑作用长度及分项系数的单个支腿外力作业荷载为：

(1.5×166.7×10+1.2×

24.7×1.2×0.75×10)/4=691.8 N。

作用在港口工程结构上的风荷载标准值应按式(2)计算：

WK=μsμzW0

(2)

(3)

其中，V为设计风速，取24.4 m/s；W0为基本风压，计算得0.372 kPa；μs为风荷载体型系数，取1；μz为风压高度变化系数，取1.254。

经计算，WK=0.466 kPa,则考虑风荷载分项系数取1.4时的风荷载为652.4 Pa。

2 建立有限元模型

技改装卸工艺：在增长皮带机的同时增设了临时转运料斗，以提高散货泊位的装卸效率，流程为：自卸汽车→临时转运料斗→连接段皮带机→料斗→装船皮带机→货船。装卸工艺及部分实景图见图1。

2.1 皮带机框架有限元模型

皮带机框架尺寸见图1，采用ABAQUS有限元软件建立模型，材料模型采用理想弹塑性模型，用B31单元进行模拟。钢材参数为：弹性模量E=206 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为345 MPa。

建立皮带机框架有限元分析模型及网格划分情况见图2。为真实还原实际受力情况，模型在前端钢板位置施加固定约束，在皮带机框架与钢绞线连接的第2-3跨中、第5跨、第8-9跨中、第11跨、第13-14跨中、第16跨、第18-19跨中、第21跨、第23-24跨中、第26跨、第28-29跨中及第31-32跨中的上弦节点施加X向、Y向以及绕Z轴旋转方向的约束。

结构为空间桁架结构，所施加的荷载主要包括结构的重力荷载、输送碎石质量、输送带的自重以及风荷载。按照规范计算的支点Y方向的荷载为-1 383.6 N，X方向的均布风荷载为652.4 N/m2，在每个支点上按照长度和受风面积施加等效集中荷载。

2.2 支架有限元模型

支架由承拉构件和支架框架组成，Solidworks整体效果图及支架尺寸见图3。

2.2.1 承拉构件有限元模型

建立承拉构件边界条件及荷载的施加方式和网格划分见图4，材料模型采用理想弹塑性模型，单元采用C3D10进行模拟。以下部孔的圆心为圆心，每隔10°布置，共计布置12个上部孔，下部孔的直径为219 mm，上部孔的直径为40 mm。采用耦合约束形式对下部孔施加固定约束；多点关联约束形式对上部孔进行约束及加载，通过提取皮带机框架与钢绞线连接节点处荷载，上部孔从下到上依次加载X，Y方向的作用力。

2.2.2 支架框架有限元模型

建立支架框架边界条件及荷载的施加方式和网格划分见图5，采用理想弹塑性模型，单元采用B31进行模拟。在结构的底部节点位置施加固定约束，顶部节点施加X方向约束。通过提取承拉构件下部孔在皮带机荷载和风荷载作用下的荷载，左侧荷载为：Fx=-399 267 N，Fy=-127 495 N；右侧荷载为：Fx=397 482 N，Fy=-126 965 N，荷载施加在左、右承拉构件的位置，荷载分布较为对称。

3 输送系统受力特性分析

3.1 皮带机框架受力特性分析

图6分别给出了皮带机框架在风荷载和皮带机荷载作用下的Mises应力结果及在各个方向上的变形。

皮带机框架的最大Mises应力为68.77 MPa，出现在后端支座处位置，小于Q345B钢材的许用应力230 MPa，材料强度整体满足要求；在X，Y，Z方向的最大位移分别为：0.717 mm，3.435 mm和13.52 mm，出现在皮带机后端、前端和前端位置，位移满足使用要求。

3.2 支架受力特性分析

3.2.1 承拉构件受力特性分析

左侧承拉构件的Mises应力及位移均小于右侧，图7分别给出了右侧承拉构件在皮带机荷载和风荷载作用下的Mises应力结果以及在各个方向上的变形。

承拉构件的最大Mises应力为202.3 MPa，出现在下部孔的位置，小于所用钢材的屈服强度，材料强度整体满足要求；在X，Y，Z方向的最大位移分别为：0.331 mm，0.299 mm，0.003 mm，位移满足使用要求。

3.2.2 支架框架受力特性分析

图8分别给出了支架整体结构在皮带机荷载和风荷载作用下的Mises应力结果以及在各个方向上的变形。

结构的最大Mises应力为35.29 MPa，小于所用钢材的许用应力，材料强度整体满足要求；在X，Y，Z方向的最大位移分别为：0.994 mm，0.744 mm和0.591 mm，位移满足使用要求。

4 码头整体结构受力特性分析

根据水位涨落，需对原装卸平台进行加高，按照实际地形图建立码头整体结构模型，高度为33.3 m，宽度为48.0 m，整体结构如图9所示。依据《地质勘察报告》，所用混凝土材料为C15和C25，碎石土、强风化泥灰岩和中风化泥灰岩的物理及力学参数如表2所示，无不良地质作用。

表2 码头整体结构模型参数表

根据土层厚度划分网格，在满足计算精度要求的同时达到不浪费资源的目的，按照平面问题所建立的边界条件及荷载的施加方式和网格划分见图10。平台与土体间采用Tie约束，摩擦系数设置为0.4。在结构的底部边界和左侧边界施加竖向、水平约束。提取支架在皮带机荷载和风荷载作用下底部所受到的竖向荷载，合力为-266 560 N，通过托辊作用在滑动轨道上，托辊通过设置刚体和参考点的形式施加266 560 N竖直向下的作用力。后方锚定结构用钢绞线，角度约为32°，所受到的拉力在极限工况下为497 864 N。考虑到码头运营时存在活荷载，在工作结构面上施加压应力来模拟[13]。各层土体应力见图11。

碎石土层的竖向受压应力最大值为261 kPa，出现在平台前沿，大于《地质勘察报告》中的建议值150 kPa，地基承载力不能够满足承载要求，需采取地基加固或打桩等措施，使地基承载能力满足要求；强风化泥灰岩和中风化泥灰岩的竖向应力分别为277.4 kPa和560.7 kPa，小于其竖向承载力建议值500 kPa和6 480 kPa，承载力整体满足要求。

土体和平台组成的整体结构竖向应变见图12。整体结构竖向的最大位移为8.279 mm，出现在远岸平台与碎石土层交界处，位移满足要求。

5 结论及建议

1)本升级扩建工程皮带机、支架结构能够满足应力及变形的要求，改造后码头通过能力进一步提高，满足三峡库区某散货码头吞吐需求，实现装卸工艺改造升级后安全适用、经济环保的目标，适应航运发展趋势。

2)碎石土层的竖向受压应力大于《地质勘察报告》建议值，地基承载力不能够满足承载要求，需采取地基加固或打桩等措施，使地基承载能力满足要求；强风化泥灰岩、中风化泥灰岩的承载力和变形满足要求。

3)采用皮带机工艺对散货码头升级改造，在内河散货码头装卸作业中广泛应用。采用ABAQUS建立模型，分析传送系统和码头地基受力特性具有普遍适应性，对同类码头升级扩建、保障装卸安全有一定的借鉴意义。