三種有限元軟件在板樁碼頭結構計算中的應用研究

劉 文 平

(蘭州軍區建筑設計院，甘肅 蘭州 730020)

1 概述

為了突破傳統板樁墻結構型式在碼頭建設中應用的局限性，近年來提出了一種碼頭結構——遮簾式板樁[1，2]，由于遮簾樁承擔了部分碼頭側土體壓力，從而使前板墻的側向受力有大大減少。但此類結構無成熟的設計計算方法，而模型試驗[3，4]由于受到各種條件的限制，均無法對現場各種復雜工況進行準確模擬。而有限元數值分析是近年來飛速發展起來的計算方法，廣泛用于求解結構、流體及各種耦合分析等各種復雜的模型。有限元計算精度高，可以進行不同的巖土本構關系分析，模擬施工過程以及計算結構與土體的共同作用。研究思路，通過PLAXIS，ANSYS及FLAC三種不同軟件進行計算，分析對比不同軟件計算結果；將計算結果與實際檢測數據相比較，分析計算數據與監測數據的差異，推薦一種可用于工程設計的實用有限元計算方法，這也是本文的目的。

2 工程概況

本文以京唐港32號碼為例進行計算分析。碼頭設計水位為0.27 m，前沿碼頭泥面線設計高程為-16.0 m，碼頭前墻高度為27.0 m、厚度為1.0 m，錨錠墻高度為16 m、厚度為1.2 m，遮簾樁長度為30.0 m，尺寸為1.0 m×2.0 m，間距2.75 m，前墻、遮簾樁和錨錠墻通過鋼系拉桿進行連接。計算截面見圖1。

3 二維有限元模擬

3.1 程序簡介

在工程分析計算當中，由于二維有限元[5,6]建模方便，計算歷時短，計算精度能滿足工程應用，從而被廣泛應用。常用的有限元計算軟件為ANSYS,PLAXIS以及FLAC。ANSYS是通用的有限元計算軟件，建模方便，通過單元生死功能可以模擬不同的施工步驟， PLAXIS程序功能比較強大，能夠模擬較多的實際工程，能夠模擬土體、墻、板和梁結構及各種結構和土體的接觸面。程序能夠動態顯示計算信息，有利于結果監控。FLAC采取動態松馳法求解,求解過程不需要形成較大的剛度矩陣,對計算機內存配置要求低,有利于求解大型工程。FLAC可以進行大變形分析,更適合進行巖土工程的破壞研究。

3.2 計算參數及計算準則

根據提供的地質資料，其計算參數取值：混凝土重度25 kN/m3，彈性模量3×1010Pa，泊松比0.2；鋼重度78.5 kN/m3，彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.2，其余參數見表1。

表1 各材料計算參數

計算模型采用理想彈塑性下的摩爾庫侖準則，ANSYS采用的屈服準則為摩爾庫侖準則的一種特殊形式，當使用DP4準則時需要對巖土的C，φ值進行轉化。PLAXIS與FLAC程序中由于自帶有摩爾庫侖準則，則參數不需要轉換，直接輸入巖土的C,φ值。

則直接輸入。

3.3 模型建立

在遮簾式碼頭結構中，前墻及錨錠墻均為鋼筋混凝土連續墻，遮簾樁尺寸為2 m×1 m，兩樁之間的距離2.75 m，為進行二維平面應變求解，需將遮簾樁用剛度等效的辦法等效成可用于二維求解的連續墻。剛度等效就是等效前后剛度中EI一致，由于E為定值，通過I=bh3/12，將尺寸為1 m×2 m的樁等效成為1.43 m厚的連續墻。ANSYS模型中，碼頭中的土體單元采用六節點三角形平面PLANE2，前墻、遮簾樁及錨錠墻混凝土結構均采用Beam3梁單元，鋼系桿用Link1桿單元進行模擬。PLAXIS建模中，碼頭中的土體單元采用六節點三角形平面單元，前墻、遮簾樁及錨錠墻混凝土結構采用連續墻進行模擬，鋼系桿采用拉桿模擬。 FLAC模型中，土體單元為四邊形結構，遮簾樁、前墻及錨錠墻均采用結構單元Beam來模擬。由于在FLAC中沒有專門的桿單元，因此采用錨索Cable單元來模擬拉桿，在建模的時候Cable單元與Pile單元采用共節點處理，考慮砂土與鋼拉桿之間的摩擦，軟件輸入摩擦角28°。三種程序均考慮了砂土與鋼拉桿的摩擦力。模型的邊界條件為左右側為水平約束，上端為自由邊界，底部固定。有限元模型見圖2。

3.4 模擬計算及結果

南京水利科學研究院組織的現場監測期間，水位位于1 m～2 m之間，為了便于與監測數據分析對比，本次模擬工況水位取正常水位線0.27 m以上1 m作為水位取值。計算結果見表2。

表2 結構受力及變形計算結果

從計算結果看，三種有限元程序計算結果總體趨勢上是一致的，但量程上有一定的差異。總體來講，ANSYS與PLAXIS程序計算結果比較接近。前墻彎矩ANSYS及PLAXIS程序計算值較FLAC要大，樁上彎矩FLAC計算結果比前二種程序要大。拉桿力ANSYS計算結果與FLAC計算結果比較接近。由于實際工程中彈性模量一般不易精確測量，而彈性模量取值對位移影響很大，從目前給定的土體彈性模量計算結果來看，錨錠點位移ANSYS及PLAXIS計算值偏大，如果砂土彈性模量提高，錨錠點位移則相應會減少。從我們以往對三種程序計算的情況來看，同樣的算例常常是ANSYS及PLAXIS算出的位移要大于FLAC算出的位移。三種有限元軟件計算的前墻、遮簾樁及錨錠墻彎矩分布見圖3～圖5。其中ANSYS中規定正彎矩在右面，而其他兩個程序正彎矩在左邊。

3.5 碼頭原型觀測

南京水利科學研究院組織相關人員對碼頭進行了現場觀測。碼頭原型觀測共布置了3個斷面，編號分別為2號，3號，4號。觀測期間潮水位一般介于1.0 m～2.0 m之間。觀測結果見表3。

比較軟件計算結果與監測值，前墻的彎矩相差較大，但我們分析在前墻臨空情況下，正彎矩應大于負彎矩，所以我們認為計算結果應該是正確的。遮簾樁彎矩與監測比較接近，拉桿力與監測相差不大，2號斷面監測與ANSYS計算拉桿力相近，錨錠點位移軟件計算結果均較監測值要大，這與選取的彈性模量有關，且由于計算結果與監測值最接近，因此推薦使用二維ANSYS軟件來進行計算。

4 結語

遮簾式板樁碼頭結構為近年來發展起來的一種新型結構，無公認的合理的常規方法。本文通過PLAXIS，ANSYS及FLAC三種不同有限元軟件分別對該種結構作了二維計算，從計算結果看ANSYS及PLAXIS比較接近，其計算前墻彎矩比FLAC計算結果偏大，樁上正彎矩FLAC計算結果要比前二者大。通過監測數據與三種計算軟件相比較，ANSYS軟件與其最為接近，但有限元程序錨錠點位移計算結果比監測值稍大，這與彈性模量值選取有關，可應用于實際工程設計，著重推薦ANSYS軟件作為此類碼頭工程設計計算軟件。