空間有限元模型和平面模型在高樁碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算中的比較分析

摘要：本文結(jié)合南通港如皋港區(qū)通用碼頭工程，對(duì)其高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)分別采用平面模型（易工水運(yùn)工程設(shè)計(jì)軟件）和空間有限元模型（ANSYS空間有限元分析軟件）進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。本文提出的空間有限元計(jì)算思路及前、后處理方法對(duì)未來(lái)高樁梁板碼頭的設(shè)計(jì)有一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞：高樁碼頭 空間有限元模型 平面模型分析

高樁碼頭是目前普遍采用的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式。目前，較為傳統(tǒng)常規(guī)的高樁碼頭計(jì)算方法通常是將空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為縱向和橫向兩個(gè)平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。在傳統(tǒng)算法中，碼頭結(jié)構(gòu)的計(jì)算最終被簡(jiǎn)化成以橫向排架為計(jì)算單元，求解排架內(nèi)力的平面二維問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算，這往往忽略了碼頭結(jié)構(gòu)各構(gòu)件空間位置及內(nèi)力分布的相互影響。本文在運(yùn)用易工水運(yùn)設(shè)計(jì)軟件對(duì)高樁梁板碼頭按平面排架進(jìn)行傳統(tǒng)計(jì)算的同時(shí)，運(yùn)用了目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的ANSYS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行空間有限元分析計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析不同工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，為高樁碼頭的空間有限元分析計(jì)算提供參考。

工程概況

南通港如皋港區(qū)通用碼頭工程采用棧橋式平面布置形式，長(zhǎng)209m，寬35m。碼頭前沿配置3臺(tái)門(mén)座起重機(jī)，軌距為16m，最大回轉(zhuǎn)工作幅度均為35m。其中2臺(tái)起重量為25t，1臺(tái)起重量為40t。件雜貨進(jìn)出港水平運(yùn)輸采用牽引車(chē)+平板車(chē)，在后方堆場(chǎng)與碼頭之間進(jìn)行，平板車(chē)載重分別為25t、40t。

碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上分為4個(gè)結(jié)構(gòu)段。碼頭排架間距7.5m，碼頭共有主排架30榀。基樁采用Φ1000mmPHC樁（B型），每榀排架布置7根樁（其中3根直樁和4根5：1斜樁），樁端持力層為粉質(zhì)粘土夾粉土層。碼頭上部結(jié)構(gòu)由橫梁、縱向梁系、迭合面板、磨耗層和靠船構(gòu)件組成，橫梁及縱梁節(jié)點(diǎn)均現(xiàn)澆。碼頭前沿間隔設(shè)置二層帶纜系統(tǒng)。

荷載參數(shù)

均布荷載。碼頭均載：30kN/m2。

流動(dòng)機(jī)械。碼頭平臺(tái)：20t、40t平板車(chē)，25t輪胎式起重機(jī)。

裝卸設(shè)備荷載。40t-35m門(mén)機(jī)：軌距16.0m，基距16.0m，最大輪壓300kN，行輪數(shù)32個(gè)，輪距0.765m；25t-35m門(mén)機(jī)：軌距16.0m，基距16.0m，最大輪壓280kN，行輪數(shù)32個(gè)，輪距0.765m。

船舶荷載。船舶撞擊力：根據(jù)5萬(wàn)噸級(jí)船舶有效撞擊能量的計(jì)算結(jié)果，每一排架選用DA-A600H 標(biāo)準(zhǔn)反力型橡膠護(hù)舷，經(jīng)計(jì)算，船舶撞擊力為1236kN；船舶系纜力：按5萬(wàn)噸級(jí)船舶以九級(jí)風(fēng)V=22m/s作為設(shè)計(jì)風(fēng)速、以水流速度V=2.0m/s作為設(shè)計(jì)流速，經(jīng)計(jì)算碼頭面選用1000 kN系船柱。

傳統(tǒng)平面方法計(jì)算結(jié)果

傳統(tǒng)算法計(jì)算采用易工水運(yùn)工程設(shè)計(jì)軟件，該程序依據(jù)最新港口工程技術(shù)規(guī)范開(kāi)發(fā)，包含了荷載前處理、作用效應(yīng)計(jì)算、截面承載力驗(yàn)算、單樁抗拉抗壓極限承載力驗(yàn)算、碰樁驗(yàn)算等多個(gè)功能。在進(jìn)行高樁梁板碼頭計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)將空間結(jié)構(gòu)按照橫向排架為計(jì)算單元簡(jiǎn)化為平面桿系進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)而求解出橫梁及樁基礎(chǔ)內(nèi)力等結(jié)果。

采用易工軟件計(jì)算碼頭各構(gòu)件內(nèi)力結(jié)果如下表：

ANSYS空間有限元計(jì)算

1、建模方法

采用梁板單元建模方法，將面板采用板殼（shell）單元進(jìn)行模擬，縱橫梁以及樁基礎(chǔ)采用梁（beam）單元進(jìn)行模擬。同時(shí)，對(duì)縱橫梁的形心位置進(jìn)行了偏移，并對(duì)不在同一高度的樁單元和橫梁?jiǎn)卧膭傂赃B接采取了約束方程法，使得縱橫梁、面板、樁基的空間位置和實(shí)際特征得到了真實(shí)的反映。此方法可以獲得和實(shí)體單元建模方法非常接近的計(jì)算結(jié)果，且計(jì)算時(shí)間大大縮短。本文重點(diǎn)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行分析計(jì)算，按照假想嵌固點(diǎn)法對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行固端約束處理，計(jì)算模型只考慮嵌固點(diǎn)以上部分的樁。

2、荷載及組合

通過(guò)平面算法的計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)起控制作用的荷載主要有永久荷載、散貨荷載和門(mén)機(jī)荷載。這幾種荷載在承載能力極限狀態(tài)持久組合下的分項(xiàng)系數(shù)為：

永久荷載：γG=1.2；散貨荷載γQ=1.5；門(mén)機(jī)荷載γQ=1.5。

施加永久荷載較為簡(jiǎn)單，只需在模型z方向添加一個(gè)重力加速度，具有密度屬性的單元便會(huì)產(chǎn)生重力。

散貨荷載施加時(shí)考慮了門(mén)機(jī)軌道梁兩側(cè)1.5m范圍不堆貨的情況先將荷載加在面上然后轉(zhuǎn)化至有限元模型上。

門(mén)機(jī)荷載為移動(dòng)荷載，其施加較為復(fù)雜。考慮到門(mén)機(jī)可能并機(jī)在軌道梁上滾動(dòng)，對(duì)門(mén)機(jī)荷載進(jìn)行了循環(huán)語(yǔ)句編寫(xiě)，滾動(dòng)步長(zhǎng)設(shè)為0.5m，通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句控制，門(mén)機(jī)荷載在碼頭面上每移動(dòng)0.5m軟件就求解一次并將計(jì)算結(jié)果存入結(jié)果文件，通過(guò)后處理可獲得門(mén)機(jī)荷載作用時(shí)各構(gòu)件內(nèi)力的最大值。

3、計(jì)算成果

分析平面算法計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)構(gòu)件內(nèi)力最大值其控制作用的荷載為永久荷載、散貨荷載和門(mén)機(jī)三種荷載。施加永久荷載、散貨荷載及門(mén)機(jī)，門(mén)機(jī)荷載考慮兩臺(tái)門(mén)機(jī)并機(jī)運(yùn)行，間距1.5m。計(jì)算時(shí)利用循環(huán)語(yǔ)句，將移動(dòng)作用的門(mén)機(jī)荷載在碼頭面上沿兩條軌道梁以0.5m步長(zhǎng)移動(dòng)。門(mén)機(jī)荷載每移動(dòng)一次即求解一次，本荷載一共移動(dòng)26次，計(jì)算完畢后將生成26個(gè)載荷步作用下的構(gòu)件內(nèi)力。為了方便比較，進(jìn)行了如下三種工況的計(jì)算。

ANSYS有限元分析的計(jì)算結(jié)果如下表2：

從表中可以發(fā)現(xiàn)，橫梁正彎矩設(shè)計(jì)值最大值出現(xiàn)在永久荷載+散貨荷載這一荷載工況組合下，其余構(gòu)件內(nèi)力最大值均出現(xiàn)在永久荷載+散貨荷載+門(mén)機(jī)荷載這一荷載工況組合下。

4、結(jié)果對(duì)比分析

比較ANSYS軟件三種荷載工況結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除了橫梁最大正彎矩最大值出現(xiàn)在第一種荷載工況：永久荷載+散貨荷載中，其余構(gòu)件內(nèi)力最大值均出現(xiàn)在第三種荷載工況：永久荷載+散貨荷載+門(mén)機(jī)中，這與易工傳統(tǒng)算法計(jì)算結(jié)果中構(gòu)件內(nèi)力最大值對(duì)應(yīng)工況是完全一致的。

易工傳統(tǒng)算法與ANSYS空間有限元計(jì)算結(jié)果構(gòu)件內(nèi)力最大值及荷載組合情況如表3所示。

結(jié)果顯示，兩種算法的樁力設(shè)計(jì)值、橫梁剪力設(shè)計(jì)值比較接近，橫梁、軌道梁的彎矩設(shè)計(jì)值A(chǔ)NSYS計(jì)算結(jié)果要小于易工傳統(tǒng)算法計(jì)算結(jié)果。

結(jié)論

本文運(yùn)用平面模型（易工軟件）和空間有限元模型（ANSYS軟件）分別對(duì)南通港如皋港區(qū)通用碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)比分析了不同工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果：

根據(jù)對(duì)易工傳統(tǒng)算法和ANSYS空間有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，在各設(shè)計(jì)荷載組合下，兩者求得的樁基軸力計(jì)算結(jié)果兩種算法非常一致，說(shuō)明在處理豎向荷載作用下的樁力分配問(wèn)題，傳統(tǒng)平面算法和空間有限元算法差異不大。

對(duì)于橫梁和軌道梁內(nèi)力，易工平面算法是將門(mén)機(jī)荷載直接作用于軌道梁上，然后傳遞到橫梁及樁基礎(chǔ)上，ANSYS空間有限元算法則考慮到了面板及其他縱梁對(duì)門(mén)機(jī)荷載的分擔(dān)作用，因而計(jì)算結(jié)果相對(duì)較小。

傳統(tǒng)平面模型和空間模型各有優(yōu)勢(shì)，從目前實(shí)際工程應(yīng)用看，平面模型因?yàn)樽髁撕?jiǎn)化處理，建模較方便，計(jì)算結(jié)果偏保守，使用較廣泛；空間模型能較好地反映碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際受力情況，建模理論本身更為優(yōu)化，但計(jì)算量一般較大，且在單元?jiǎng)澐帧⑦吔鐥l件設(shè)定、參數(shù)選取等方面對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也有較高的要求。因此，建議在有條件情況下，分別采用兩種模型作校核計(jì)算，綜合分析取用，保證碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和安全可靠。