板桩码头结构设计的目标可靠指标和抗力系数_李荣庆

第2期

2008年6月

水利水运工程学报

HY DRO -SCI ENCE AND ENG I NEERI N G

N o .2

Jun .2008

收稿日期:2007-07-06

基金项目:教育部创新团队资助项目(编号:I RT0518)

作者简介:李荣庆(1982-),男,山东章丘人,博士研究生,主要从事结构有限元计算和可靠度理论研究.

E -m a i:l lrq621@yahoo .co https://www.sodocs.net/doc/c33743015.html,

板桩码头结构设计的目标可靠指标和抗力系数

李荣庆1

,贡金鑫1

,杨丽民

2

(1.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁大连 116024;2.中交第一航务工程勘察设计院,

天津 300222)

摘要:根据板桩码头的特点,应用工程结构可靠度理论对板桩码头进行了可靠度分析.根据对国内14个代表

性板桩码头的可靠度分析结果,并参考国内外有关标准规定的目标可靠指标,提出了我国板桩码头设计的目标

可靠指标B T =3

.5.为使我国的板桩设计达到目标可靠指标,经过可靠度分析,建议板桩/踢脚0稳定性验算抗力系数调整为1.3,锚碇结构稳定性验算抗力系数、板桩墙抗弯强度作用效应综合分项系数和拉杆拉力分项系数仍分别取为1.15,1.4和1.35.

关 键 词:港口工程;板桩码头;可靠度;分项系数;抗力系数中图分类号:U656.1.12 文献标识码:A 文章编号:1009-640X(2008)02-0071-07

Target reli ability index and resistance factor for desi gn of sheet pile quays

LI Rong -qing 1

,GONG Ji n -x i n 1

,YANG L-i m i n

2

(1.The S tate K ey Laboratory of Coastal and Offs hore E ng ineering,Dalian University of T echnology ,Dalian 116024,China;2.China Co mmunica tion F irst Desi g n Institute of Naviga tion Engineering,T ianjin 300222,China )

Abst ract :The reliab ility of sheet p il e quays is analyzed w ith re li a bility theory for eng ineeri n g structures in t h is paper .The target reliability index for struct u ra l design of sheet p ile quays in Ch i n a is presented based on the analysi s result of fourteen histo r y cases and targe t re liability index prescri b ed i n standards o fChina and other f o reign countri e s .The resistance partia l factors i n desi g n equations are adjusted i n order to ensure the targe t re liab ility i n dex .The reco mm ended resistance factors are as fo llo w s : 1.3and 1.15for ca lculati n g stab ility of sheet p ile and anchorge respectively ;1.4and 1.35for ca lculati n g streng th of sheet pile and ti e roo l respecti v e l y .K ey w ords :harbor eng ineeri n g ;shee-t pile quay ;reliab ility ;parti a l factor ;resistance factor

板桩码头主要结构是连续打入地基一定深度的板形桩构成的直立墙体,墙体上部一般用锚碇结构加以

锚碇[1]

.同其它工程结构一样,为保证码头的安全和正常使用,板桩码头在其设计使用年限内应具有足够的可靠性.为保证板桩码头的可靠性,就要对码头进行合理的设计、施工和使用,而合理设计的根据是设计规

水利水运工程学报2008年6月

范.因此,可以说设计规范的合理性和先进性是保证板桩结构可靠性的基础.本文根据5板桩码头设计与施工

规范6(JTJ292-98)[2]

修订的需要,通过对板桩码头的可靠度分析,提出了板桩码头设计表达式中抗力分项系数合理取值的建议,使板桩码头的设计更符合客观实际,从而使我国的板桩码头设计提高到一个新的水平.

1 板桩码头设计计算

1.1 板桩墙入土深度计算

按规范

[2]

,板桩墙的入土深度应满足/踢脚0稳定的要求:

C 0

E

C G M G +C Q 1M Q 1+W (C Q 2M Q 2+C Q 3M Q 3+,)[

M R

C d

(1)

式中:C 0为结构重要性系数,取1.0;C G 为永久作用分项系数,按表1取值;C Q 1,C Q 2,C Q 3,为可变作用分项系数,按表1取值;M G ,M Q 1分别为永久作用、主导可变作用标准值对拉杆锚碇点产生的弯矩(kN #m);W 为作用组合系数,取0.7;M Q 2,M Q 3,为非主导可变作用标准值对拉杆锚碇点产生的弯矩(kN #m);M R 为板桩前被动

土压力标准值对拉杆锚碇点的稳定力矩(kN #m);C d 为抗力系数,地基土质差时取1.0,地基土质好时取1.15.

表1 作用分项系数取值T ab .1 V a l ues o f acti on pa rti a l factors

组合情况永久作用

土压力剩余水压力

可变作用

土压力波吸

力持久组合 1.351.051.35(1.25)

1.30(1.20)

短暂组合

1.35

1.05

1.25

1.20

图1 竖向弹性地基梁计算图示F ig .1 G raph ics of ve rti ca l bea m on elastic grade

1.2 板桩墙弯矩和拉杆拉力计算

目前,板桩墙弯矩和拉杆拉力的计算方法有弹性线法、自由支承法和竖向弹性地基梁法.竖向弹性地基梁法考虑了板桩与土的共同作用,更真实地反映了板桩的实际受力状态,计算图示见图1.入土段墙后的主动土压力宜考虑由计算水底以上超载(地面荷载加土体重)产生的部分.此法可考虑拉杆锚碇点的位移,当考虑拉杆锚碇点位移时,计算弯矩不折减;不考虑拉杆锚碇点位移时,计算弯矩应乘以0.7~0.8的折减系数.

进行构件设计时,钢板桩的单宽强度应满足(2)式:

C GQ 1000N A +M max W Z

[f t

(2)

式中:N 为作用标准值产生的单位长度轴力(kN /m );M m ax 为作用标准值产生的单位长度板桩的最大弯矩(kN #m /m );A 为钢板桩截面面积(m 2

/m );f t 为钢材的强度设计值(N /mm 2

);C GQ 为综合分项系数,取1.35;W Z 为钢板桩的弹性抵抗矩(m 3

/m ).

当轴力较小时,偏心受压的钢筋混凝土板桩可按受弯构件计算,综合分项系数C GQ =1

.4.钢拉杆按中心受拉构件设计,拉杆直径按(3)式计算:

d =2

1000R A C RA

P f t

+$d (3)

式中:R A 拉杆拉力标准值(kN );d 为拉杆直径(mm );$d 为预留锈蚀量(mm ),可取2~3mm;f t 为钢拉杆的

72

73第2期李荣庆,等:板桩码头结构设计的目标可靠指标和抗力系数

强度设计值(N/m m2);C RA为拉杆拉力分项系数,取1.35.

1.3锚碇结构稳定性验算

锚碇墙(板)稳定性应满足(4)式:

C0(C E E ax+C RA R AX+W C E E qx)[E px

C d(4)式中:C0为结构重要性系数,取1.0;C E为主动土压力分项系数,取1.35;E a x为锚碇墙(板)后土体本身产生的主动土压力水平分力标准值(k N);C RA为拉杆拉力分项系数,取1.35;R AX为拉杆拉力水平分力标准值(kN);W为作用组合系数;E qx为锚碇墙(板)后地面可变作用产生的主动土压力水平分力标准值(kN);E px为锚碇墙(板)前被动土压力水平分力标准值(kN);C d为抗力系数,取1.15.

2可靠度分析

为评价现行规范设计表达式中分项系数和结构系数取值的合理性,需对按现行规范设计的板桩码头进行可靠度分析.依据可靠度分析结果,提出规范修订的建议.

2.1板桩码头功能函数

板桩码头的功能函数可表示为:

Z=R-S=g x(X1,X2,,,X n)(5)式中:R为结构的抗力;S为作用效应;X1,X2,,X n为与板桩码头有关的n个相互独立的随机变量.

对应于本文上述板桩码头的计算内容,进行可靠度分析时,应对每项计算内容分别建立极限状态表达式,限于篇幅,本文不给出建立过程,详见文献[3,4].

2.2荷载的统计分析

板桩码头可靠度分析中考虑的作用包括码头面荷载产生的主动土压力、土自重产生的主动土压力、剩余水压力和波浪力.码头面堆货荷载因码头货物的堆积和运输而变化;主动土压力因土参数(重度C、摩擦角U、粘聚力c)的不确定性而变化;剩余水压力因水位的变化而呈现不确定性;波浪力因波高的变化而不确定.本文分析中,剩余水压力按常量考虑,即根据设计资料所标明的剩余水头,与水重度的乘积得到.另外,本文所分析的板桩码头都是有掩护的,不考虑波浪力的作用.根据文献[5,6]的统计结果,土的重度变异系数为0.020~0.032,变异性较小,可靠度分析时取其标准值进行计算.因此,本文中按随机变量考虑的作用影响因素有码头面堆货荷载、土的内摩擦角和粘聚力.

根据文献[5],码头均布荷载平均值与标准值的比值K q=0.78,变异系数D q=0.14,服从极值?型分布.根据文献[5]以及[7-10]的统计结果,土的摩擦角和粘聚力平均值与标准值的比值取为1.0,变异系数分别取为0.20和0.25,服从正态分布.实测数据的统计分析还表明,内摩擦角U和粘聚力c呈负相关性,根据文献[10]的统计结果,取U和c的相关系数为-0.6.

2.3抗力的统计分析

板桩码头可靠度分析中考虑的抗力有:板桩墙前的被动土压力、锚碇结构前的被动土压力、板桩墙抗弯强度和拉杆抗拉强度.被动土压力因土参数(C、U、c)的不确定而变化;板桩墙抗弯强度、拉杆抗拉强度因几何尺寸、材料性能和计算模式的不确定性而变化.据文献[5]的统计,板桩墙及拉杆截面尺寸的变异系数为0.01~0.02,变异性较小,故本文不考虑其变异性;板桩墙的入土深度一旦确定,认为施工误差很小,也不再考虑其变异性.本文涉及到的计算模式不确定性包括板桩墙抗弯能力计算的不确定性、墙后主动土压力计算的不确定性和墙前被动土压力计算的不确定性等.板桩墙一般采用钢筋混凝土、预应力混凝土或钢板桩,属于结构构件,文献[11]得出了其平均值和标准差.对于墙后主动土压力和墙前被动土压力的计算,文献[2]给出了计算式,这些计算式都是以刚性墙后面(主动)或前面(被动)的土完全发生塑性滑动为基础,达到这样的状态需要很大的变形,与实际情况有一定差别.鉴于目前的研究状况,本文暂不考虑主动土压力和被动

水利水运工程学报2008年6月

土压力计算模式的不确定性.因此,本文按随机变量考虑的抗力影响因素包括板桩抗弯强度、拉杆抗拉强度、土的内摩擦角和粘聚力.

根据文献[11],钢筋混凝土构件抗弯强度平均值与设计值的比值为1.321,变异系数0.112,抗弯能力服从对数正态分布.根据文献[12],拉杆抗拉强度平均值与标准值的比值为1.13,变异系数为0.12,服从对数正态分布.

2.4可靠度分析步骤

为对规范[2]进行可靠度校准,本文选取了国内14个代表性板桩码头(见表2)进行可靠度分析.

可靠度分析步骤如下:

(1)根据设计图纸所示的基本设计条件(土质、水位等),按(1)式计算板桩的入土深度,计算时分项系数和抗力系数完全按照规范取值,计算出的入土深度为规范规定的最小入土深度;

(2)根据步骤(1)所求出的入土深度,按图1所示的计算简图,采用竖向弹性地基梁法计算板桩最大弯矩和拉杆拉力;

(3)按(4)式计算锚碇结构的高度,此高度也为规范规定的最小高度;

(4)根据步骤(1)~(3)的设计结果,利用本文所述设计变量的统计参数与其标准值或设计值的关系,确定变量对应于设计结果的统计特征,再计算所设计板桩结构的可靠指标.可靠度计算方法采用文献[13]中的通用可靠指标计算方法.

2.5可靠度分析结果

按规范[2]设计板桩码头的各项可靠指标及其平均值见表2.

表2板桩码头各项可靠指标

T ab.2R e liab ility i ndex of shee t p ile quay

工程编号工程名称板桩墙材料建造年代

可靠指标

/踢脚0稳定板桩墙抗弯强度拉杆抗拉强度锚锭结构稳定

1天津航道局船厂坞首东护岸

和码头

预应力混凝土19772.231 3.161 3.4012.710

2镇江大港磷矿码头钢筋混凝土19763.476 3.914 3.8943.110

3天津港务局轮驳公司港作船

码头

预应力混凝土19793.202 3.815 3.4352.843

4蛇口工业区五湾码头修复与

扩建工程

钢板19843.528 2.365 3.3592.541

5上海市食品公司吴松肉类加

工厂码头

钢筋混凝土19803.718 4.417 3.8242.341

6三亚港新建码头钢板19772.233 1.812 2.6242.231

7天津市海洋捕捞公司陈塘庄

码头

钢筋混凝土19653.612 3.530 3.7204.155

8秦皇岛市新开河起步工程钢筋混凝土)2.973 2.806 3.1062.600 9天津新河船厂修船码头预应力混凝土19762.357 2.316 2.3881.765 10上海毛麻公司杨树浦库码头预应力混凝土19653.014 3.487 3.7903.110

11黄埔港新沙港区一期工作船

码头

钢板19882.866 3.511 3.0432.456

12唐山港起步工程7、8#码头钢筋混凝土1989.042.513 3.642 3.9663.289 74

第2期李荣庆,等:板桩码头结构设计的目标可靠指标和抗力系数

(续表)

工程编号工程名称板桩墙材料建造年代

可靠指标

/踢脚0稳定板桩墙抗弯强度拉杆抗拉强度锚锭结构稳定

13京唐港第二港池工程9#码头钢筋混凝土1996.112.001 4.366 4.2083.297 14京唐港第二港池工程11#码头钢筋混凝土1997.011.816 3.305 4.0723.116

平均值2.824 3.318 3.4882.826

从表2可见,板桩码头各项平均可靠指标中,拉杆抗拉强度最高(3.488),其次为板桩墙抗弯强度(3.318),而锚碇结构稳定和/踢脚0稳定的可靠指标均较低,分别为2.824和2.826.

3目标可靠指标

目标可靠指标是工程结构设计采用的最低可靠指标,决定着结构设计的安全水准,又依赖于国家的经济发展水平.因此,确定结构设计的目标可靠指标比较复杂.目前国内外常用的方法是校准法,即对按现行结构设计规范设计的结构进行可靠度校准,明确用可靠指标表示的可靠度水平,然后以此为基础,经综合分析和判断,确定未来结构设计的目标可靠指标.表3为我国各种工程结构可靠度设计统一标准规定的目标可靠指标、国际标准5结构可靠性总原则6(I SO2394z1998)给出的目标可靠指标示意值和欧洲规范5结构设计基础6(E N1990z2002)规定的可靠指标最小值.

表3工程结构承载能力极限状态设计的目标可靠指标

T ab.3T a rget re li ability i ndex for u lti m ate li m it state desi gn of eng i nee ri ng structure

规范名称设计基准期/a破坏类型

安全等级

一级二级三级

我国5建筑结构可靠度设计统一标准6[14]50

延性破坏 3.7 3.22.7

脆性破坏 4.2 3.73.2

我国5公路工程结构可靠度设计统一标准6[15]100

延性破坏 4.7 4.23.7

脆性破坏 5.2 4.74.2

我国5港口工程结构可靠性设计基础规

范6[16]

50) 4.0 3.53.0

我国5水利水电工程结构可靠度设计统一标准6[17]50

一类破坏 3.7 3.22.7

二类破坏 4.2 3.73.2

国际标准5结构可靠性总原则6[18]50) 4.3 3.83.1

欧洲规范5结构设计基础6[19]50) 4.3 3.83.3

注:(1)国际标准5结构可靠性总原则6(I SO2394:1998)中的安全等级是按失效后果严重、一般和不严重分级的,大致与我国标准中的一级、二级和三级对应;

(2)欧洲规范5结构设计基础6(EN1990:2002)中的安全等级为RC3、RC2和RC1,对应的失效严重、一般和不严重,大致与我国标准中

的一级、二级和三级对应.

根据本文对国内14个代表性板桩工程的可靠度分析结果,并参考我国5港口工程结构可靠性设计基础规范6(报批稿),本文提出板桩设计的目标可靠指标见表4.

75

水利水运工程学报2008年6月

表4板桩码头结构设计目标可靠指标

T ab.4T arget reli ability i ndex for design o f sheet pil e quays

踢脚稳定性弯曲强度拉杆拉力锚锭结构稳定

3.5 3.53.53.5

4板桩码头抗力系数的调整建议

为使按现行规范设计的板桩结构可靠指标达到建议的目标可靠指标,计算了不同抗力系数对应的可靠指标,根据计算结果,提出了调整建议.

首先对/踢脚0稳定性验算表达式中的抗力系数C d进行调整.C d分别取1.15,1.2和1.3,计算/踢脚0稳定性的可靠指标,计算结果见表5.由表5可见,C d=1.3时,平均可靠指标为3.405,接近表4建议的/踢脚0稳定性的目标可靠指标(3.5).

按C d=1.3确定板桩入土深度,然后计算板桩抗弯效应综合分项系数C GQ、拉杆拉力分项系数C RA和锚碇结构稳定性抗力系数C d取不同值时的可靠指标(见表5).从表5可以看出,C GQ和C RA均保持现行规范的值,即C GQ=1.4,C RA=1.35,板桩抗弯和拉杆抗拉的可靠指标均达到表4建议的目标可靠指标.锚碇结构稳定性结构系数C d=1.3时,锚碇结构稳定性的可靠指标达到表4建议的目标可靠指标.

表5不同分项系数时的可靠指标

T ab.5R e liab ility i ndex under different parti a l fac t o rs

工程编号不同C

d

的/踢脚0稳定性

1.151.21.3

不同C

G Q

的板桩墙抗弯强度

1.35 1.41.45

不同C

RA

的拉杆抗拉强度

1.31.35 1.4

不同C

d

的锚碇结构稳定性

1.151.21.3

12.2312.3042.538 3.119 3.4103.8323.4043.723 3.934 2.8273.0713.316

23.4763.6733.986 4.140 4.3364.6633.5704.050 4.255 3.2803.5443.848

33.2023.4443.631 4.085 4.3644.6473.4563.752 4.081 2.9983.2243.516

43.5283.6333.760 2.624 3.0383.3043.3763.607 3.887 2.7152.8673.185

53.7183.9424.443 4.462 4.6044.9013.9614.222 4.693 2.5012.6702.934

62.2332.7173.281 1.847 2.0632.4472.5762.906 3.286 2.4452.5952.869

73.6123.7894.201 3.589 3.8504.1023.7134.029 4.283 4.3134.7035.059

82.9733.2363.448 2.715 3.1013.3733.0143.276 3.610 2.7923.0033.276

92.3572.9843.534 2.060 2.4612.6722.3822.589 2.822 1.8881.9952.215

103.0143.3883.965 3.373 3.7413.9193.7023.936 4.361 3.2343.4743.794 112.8663.0993.342 3.353 3.7403.8582.9813.225 3.541 2.6142.7803.066 122.5132.8133.154 3.688 3.9824.1543.9134.260 4.554 3.5003.7134.106 132.0012.1062.370 4.624 4.9215.2184.2324.410 4.819 3.4833.7494.085 141.8161.9642.023 3.174 3.5523.7474.0344.376 4.670 3.3023.5353.873平均值2.8243.0713.405 3.347 3.6543.9173.4513.74 4.056 2.9923.2093.510注:板桩墙抗弯强度、拉杆抗拉强度和锚碇结构稳定性可靠指标为/踢脚0稳定结构系数C

d

=1.3时的计算结果.

根据上述计算分析结果,本文建议/踢脚0稳定性的抗力系数调整为C d=1.3,板桩抗弯综合分项系数和拉杆拉力分项系数保持与现行规范一致,即C GQ=1.4,C RA=1.35.对于锚碇结构,C d=1.3时,可靠指标能达到目标可靠指标,但考虑到增大抗力系数使结构深度加大,还涉及锚碇结构至板桩墙最小距离的要求,这一问题还有待研究.因此,本文建议锚碇结构稳定性验算抗力系数C d仍取1.5.

5结语

结合规范[2]修订的需要,对国内14个典型板桩码头进行了可靠度分析.参考国内外工程结构承载能力76

77第2期李荣庆,等:板桩码头结构设计的目标可靠指标和抗力系数

极限状态设计的目标可靠指标,提出了我国板桩码头设计的目标可靠指标B T=3.5.为达到这一目标,建议对板桩/踢脚0稳定性验算抗力系数调整为1.3,锚碇结构稳定性验算抗力系数、板桩墙抗弯强度作用效应综合分项系数和拉杆拉力分项系数仍分别取为1.15,1.4和1.35.

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