港口工程结构可靠度研究

港口工程结构可靠度研究

王家齐

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摘要：可靠性设计已成为工程结构设计中广泛使用的方法。与经验设计相比，它具有可量化、可比较和可控制优点。在《港口工程结构可靠性设计统一标准》指导下，我国港口行业根据可靠性设计要求，对防波堤、码头等相关规范进行了调整。为方便设计、施工人员的使用，大多仍使用分项系数表示的实用设计表达式。然而，在条件允许情况下，规范还建议采用基于JC法的可靠指标设计。

关键词：港口工程；结构；可靠度

码头、防波堤、护岸等港口工程结构对海岸安全防护和船舶平稳靠泊至关重要。与建筑工程、水利工程、铁路工程和公路工程类似，港口工程的结构也经历了从经验设计到可靠性设计的转变。经实践表明，结构强度、荷载和几何尺寸等是随机变量。基于概率统计理论的工程结构可靠度设计方法在港口工程的许多设计领域得到了广泛应用。结构可靠度理论在港口工程中的研究与应用是目前的一个研究热点。

一、港口工程概念

港口工程是指兴建港口所需的各项工程设施的工程技术。港口是交通运输的枢纽，水陆联运的咽喉；是水陆运输工具的衔接点和货物、旅客的集散地。港口工程包括港口的规划与布置，港口水工建筑物(码头、防波堤、护岸、船台滑道和船坞等)的设计施工，各种装卸设备、系船浮筒、航标等的修建。

二、港工结构可靠度

可靠度(Reliability)也称可靠性，是指产品在规定时间和条件下完成预定功能的能力，其和失效概率之和为1。它包括结构的安全性、适用性、耐久性，当用概率来度量时，被称为可靠度。港口工程结构在设计使用年限内必须满足可靠性设计的四大功能：①在正常施工及使用期间，能安全承受可能发生的各种外界作用；②正常使用时，具有良好的工作性能；③在正常维护下具有足够的耐久性；④当有特殊要求时，主体结构在发生偶然事件时仍能保持整体稳定性。

三、防波堤的可靠度

防波堤作为重要的海岸防护结构，其作用主要是抵御波浪对港区的侵袭，保证港口水域平稳。

2000年，有学者提出了按极值波高确定防波堤重现期及设计波高的方法，并对每种情况Monte Carlo模拟，以满足实际统计结果，最后计算得出沉箱防波堤设计安全系数。由于随机波浪的破碎，水深与有效波高之比会在一定程度上影响沉箱防波堤可靠性设计。另有学者指出，沉箱防波堤的可靠性设计对风暴潮高度极值分布函数选择较敏感，因此引入了新的扩展参数γ50来表征极值分布函数特征，定义为50年一遇波高与10年一遇波高之比。通过Monte-Carlo模拟对防波堤沉箱滑移的分析表明，当水深大于约2.5倍有效波高的等效水深时，γ50值较大的极端分布需较大沉箱宽度。

在模型研究基础上，建立防波堤护面块体在随机波作用下的稳定性公式，并在此基础上提出防波堤护面块体的可靠性设计方法。2002年，有学者指出，波传播中波向的变化对护面块体有很大破坏作用，若忽略波浪方向性，估计的失效概率可能是实际失效概率的两倍左右。2012年，将模糊Monte Carlo模拟方法应用于护面块体防波堤的可靠性风险分析中，该方法为可靠度计算中随机性及模糊性联合处理提供了有力工具。

在沉箱式防波堤可靠度设计中，有学者发现不确定性及随机变量对沉箱滑移距离的计算有一定影响，并提出双侧截尾正态分布代替原始正态分布来计算沉箱滑移距离。

国外学者在分析防波堤结构可靠度时，忽略了环境条件间的相关性。我国学者在防波堤可靠度设计中，基于联合分布理论，考虑了随机变量间的相互影响。基于Hasofer-Lind方法，采用系统和长期的波浪浮标观测数据，考虑了抗力效应和荷载效应间相关性，给出了削角直立堤抗滑抗倾可靠性指标和分项系数。有学者分析了波压和浮托力的二维Gumbel逻辑分布，提出了直立堤可靠度的直接积分计算方法。

四、码头可靠度

码头是港口水域与陆域的连接段，为船舶提供靠泊、装卸作业、旅客上下及各种辅助作业。根据结构类型，码头可分为重力式、板桩式、桩基式、浮式等。

1、重力式码头。重力式码头的抗倾和抗滑稳定性是其设计中必须验算的内容。有学者计算了重力式空心方块码头的抗滑抗倾稳定可靠度，并与安全系数法进行比较。此外，用数值方法编制可靠度计算的迭代程序，并将其应用于偏心及倾斜荷载作用下重力式码头地基承载力的可靠度分析。

2、板桩码头。在桩与板桩领域，用可靠度方法分析单锚板桩的锚固深度，强调土摩擦角的重要性。基于概率方法建立了随机横向荷载作用下单桩及群桩的可靠性评估方法。采用可靠度方法评估轴向荷载对群桩的作用，与试验结果进行比较，研究表明，群桩失效率比单桩小1～4个数量级。

基于可靠度分析及横向荷载桩优化设计的一般方法，考虑了标准规格桩及侧向约束工况。另外，还考虑了腐蚀桩随时间的偶然效应。评估横向荷载下钻孔桩模型因素，分析发现变异系数保持在30～40%之间，证明了对数正态概率模型的有效性。将响应面法应用于横向荷载桩的可靠度分析，且实例表明，响应面法计算的桩顶位移及桩最大弯矩与Monte Carlo法接近。

分析悬臂板桩结构在横向土压力作用下的可靠度，将土壤特性、水位高度、附加荷载视为随机变量，提出一种利用一次二阶矩法设计板桩的概率方法。有学者对砂土中单锚板桩的可靠度进行分析，将回填土特性、土摩擦角、墙前水深板桩入土深度、屈服强度、拉杆拉力视为随机变量，进行敏感性计算，以评估设计参数的不确定性对悬臂板桩墙可靠度的影响。

在我国，基于“校准法”研究了板桩码头锚碇墙稳定性的可靠度设计标准，给出了土压力的永久作用、可变作用、拉杆设计拉力的分项系数。采用Ada-boost算法对BP神经网络模型进行改进，提出了板桩结构可靠度的计算方法。其计算精度接近Monte Carlo法，但高于传统BP神经网络法。

3、高桩码头。对于高桩码头，以某港口新建3000t码头的灌注桩为例，有学者分析了横向排架中横梁及前方排架桩的可靠度。另外，基于p-y曲线法和ANSYS建立了钢筋混凝土高桩梁板结构的整体结构段及单排架模型。通过调整船舶冲击力在单排架中的分配系数，将单排架桩基及横梁内力与整个结构段进行了误差比较。

此外，将钢筋混凝土构件抗力及作用荷载视为随机过程，在设计使用年限内转化为年极值的随机变量，考虑到钢筋混凝土构件的时变特性，采用JC法建立了高桩码头结构的全寿命可靠度分析方法。根据结构安全分级标准的相关规范，反推出了相应的结构目标可靠指标。基于高桩码头整体可靠指标，提出了其安全度的定量分级方法。基于非线性有限元数值模型和Monte Carlo模拟技术，定义了无损结构整体极限承载力的概率分布模型及其统计参数，可用于损伤结构的分析；采用一次二阶矩法，建立了在役梁板高桩码头结构的整体可靠度计算方法。

4、开敞式码头。在开敞式码头方面，有学者以中国两座开敞式重力墩码头的靠船墩及系船墩为例，考虑变量间相关性，采用分项系数法分析码头抗滑及抗倾稳定性的可靠度。并对某深水开敞式码头船舶荷载进行了现场试验，提出了撞击能量、最大系缆力值和靠船速度统计模型。另外，通过对靠船墩三维结构的随机力学分析，采用响应面法计算靠船墩可靠度。

5、桩基基础及边坡稳定。对于桩基基础及边坡稳定，有学者通过对41根桩的统计分析，研究了抗拔桩及抗压桩的概率分布模型。对于预应力混凝土桩，分析了其在沉桩及吊运阶段三种极限状态的可靠度，并提出了供设计采用的预应力混凝土桩可靠指标的建议值。

此外，基于条分法推导了边坡稳定可靠性的统一极限状态方程，以土的容重、内摩擦角和粘聚力为随机变量，采用JC法求解边坡可靠指标和失效概率。通过研究沉桩过程中的孔隙水压力分布，结合简化的Bishop法，建立了打桩过程中码头岸坡稳定性的极限状态方程，并进行了可靠性分析。

参考文献：

[1]中国交通部水运规划设计院．GB50158港口工程结构可靠度设计统一标准[S].北京：中国计划出版社．

[2]谢世楞.关于防波堤可靠度分析的初步探讨[J].港口工程，2015(02).