基于有限元的親水平臺設計

王璐璐

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

親水平臺是向人群提供親水休閑功能的一種特殊建筑物，其出發點就是在保證結構安全前提下充分體現親水功能，展現人文平臺與自然景觀的完美融合。目前，親水平臺并沒有統一的設計標準及規范，設計荷載不僅需滿足碼頭等水工建筑物的臨時靠泊功能，更需滿足各種景觀荷載。本文結合上海某親水平臺結構設計，通過ROBOT 數值模擬對結構的受力性能進行計算，研究結構在臨時系靠泊及復雜景觀荷載條件下的受力特點進行分析。

1 工程概況

親水平臺計算分段長400 m，寬20 m，排架間距為6 m，每榀排架設有6 根Φ800 鋼管樁，其中斜樁1 對，上部結構由現澆橫梁、縱梁、疊合面板等組成。親水平臺面前沿設置550 kN 系船柱，前沿靠船構件布置DA-B800H 低反力型橡膠護舷。圖1 為親水平臺結構斷面圖。

圖1 親水平臺結構斷面（單位：mm）

2 有限元計算模型

2.1 ROBOT 軟件功能簡介

ROBOT 是用于結構分析和結構設計的應用軟件，其網格劃分算法和內孔識別算法為工程師提供了易于使用且功能強大的有限元前處理方法。這些功能完全是通過用戶熟識的圖形化窗口界面呈現在用戶面前的，可以解決工程中的結構靜力分析、動力分析、非線性分析、屈服分析、彈性地基板、多種材料組合截面、拉索結構等問題。

ROBOT 有非常強大的后處理功能，為計算結果整理提供了方便，計算報告完全可以按用戶要求進行組合編輯，并隨模型的修改而實時變化。ROBOT還可以應用先進的篩選技術，能迅速準確地查看相關結果，如極限值、包絡值及指定結構單元尺寸、材料等[1，2]。

2.2 有限元模型建立

取親水平臺一個結構段62 m 為研究對象，建模并根據結構的尺寸和材料計算。現澆橫梁、縱梁、前邊梁、后邊梁及面板采用C40 混凝土，彈性模量為30.0 GPa，泊松0.167，密度為2.5 t/m3；鋼管樁、鋼管系靠船梁及鋼靠船構件采用Q235 鋼彈性模量為2.06 GPa，泊松比0.3，密度為7.85 t/m3。

鋼管樁、靠船構件、現澆橫梁、縱梁、前邊梁、后邊梁均采用梁單元建模，面板采用殼單元建模。整個親水平臺結構分為梁單元和殼單元兩個部分。親水平臺樁基按摩擦樁考慮，由于梁單元各節點具有6個自由度，故在樁基嵌固點設置UX、UY、RX、RY、RZ 向固定支座約束，UZ 向設置彈性支座約束。UZ向支座彈性系數即樁的軸向剛性系數，根據鋼管樁的截面尺寸、彈性模量及本工程單樁垂直極限承載力標準值按JTS 167-1-2010《高樁碼頭設計與施工規范》計算得708 500 kN/m。有限元模型見圖2。

圖2 親水平臺結構有限元模型

3 荷載施加

ROBOT 可以將每種荷載工況的標準值施加到模型中，計算出每種工況下的作用效應值，然后對荷載作用效應進行組合，提取控制性的荷載工況組合。

3.1 荷載資料

（1）施工荷載：20 kN/m2；

（2）樹池碼頭面：60 kN/m2（親水平臺后部10 m）；

（3）人群荷載：10 kN/m2；

（4）景觀鋪裝荷載：10 kN/m2（親水平臺前部10 m）；

（5）使用期集中荷載：

a. 系纜力：前后沿分別有550 kN 雙柱系船柱。

b. 靠船力：1 000 kN/榀（采用拱形500 H×2000 L標準反力橡膠護舷，豎向二根，撞擊能量144 kJ，考慮低水位靠泊需要，豎向設拱形橡膠護弦TD-B600HX2000 L+2300 L，拱形橡膠護弦TDB600HX2500 L+2800 L）。

3.2 荷載系數

計算荷載系數分為施工期和使用期，具體參數見表1 和表2。

表1 施工期荷載

表2 使用期荷載

3.3 荷載組合

計算組合分為施工期和使用期，具體組合見表3和表4。

表3 施工期組合

表4 使用期組合

4 計算結果及分析

根據實際可能出現的荷載組合，將各工況荷載作用標準值按JTS 167-1—2010《高樁碼頭設計與施工規范》第3.2 節規定進行組合，分析親水平臺結構在船舶荷載和景觀荷載作用下內力特性。

4.1 親水平臺橫梁內力計算

對于親水平臺設計時需要分別計算承載能力極限狀態持久組合和正常使用極限狀態持久組合。承載能力極限狀態持久組合工況下，最大正彎矩（橫梁下部）1 363.31 kN·m，最大負彎矩（橫梁上部）1 391.23 kN·m；正常使用極限狀態持久組合工況下，最大正彎矩（橫梁下部）641.19 kN·m，最大負彎矩（橫梁上部）909.26 kN·m（見圖3）。承載能力極限狀態持久組合工況下，最大剪力為1 017.33 kN。正彎矩、負彎矩和剪力最大值都在船舶撞擊力產生的對應橫梁上（見圖4）。

圖3 親水平臺橫梁彎矩計算結果

圖4 親水平臺橫梁剪力計算結果

4.2 樁基內力分析

為方便分析，定義模型中每個排架從親水平臺前沿起的第1 根樁為第1 排樁，依此排序至親水平臺后側第6 排樁。樁基內力按承載能力極限狀態持久作用效應的持久組合設計值計算；通過比較可能同時出現的荷載工況組合，計算出親水平臺樁基內力最不利的工況組合。

（1）軸力：第1，2 排樁基軸力很小，主要是因為這2 排樁上部荷載僅為10 kN/m2，后4 排樁基軸力較大，最大軸力出現在第二排排架第6 排樁，最大彎矩為3 342.71 kN，這主要是上部60 kN/m2荷載與船舶撞擊力的疊加作用造成（見圖5）。

圖5 親水平臺樁基軸力計算結果

（2）彎矩：第1～4 排樁基彎矩值小，第5 和第6排樁基彎矩較大，主要是因為后沿撞擊力使親水平臺結構產生橫向位移變形，后沿撞擊力通過親水平臺排架的分配傳遞過程，使親水平臺結構的變形體現在樁基的變形上。后沿第5 和第6 排為直樁，分配的水平撞擊力和變形較大，故第5 和第6 排樁基的彎矩值較大（見圖6）。

圖6 親水平臺樁基彎矩計算結果

5 結 論

結合工程實例對親水平臺臨時系靠泊及復雜工藝條件下進行ROBOT 數值模擬，分析親水平臺結構內力變化特性，得出主要結論如下：

（1）采用ROBOT 數值模擬方法分析高樁親水平臺結構受力性能是可行的，能夠將高樁親水平臺結構同時承受的復雜荷載分成單一荷載，并對各單一荷載工況分別進行計算，然后根據實際可能出現的荷載組合，將各工況荷載作用標準值按規范規定進行組合，通過比較求出最大值，其計算結果真實可靠，能夠用于實際工程設計。

（2）親水平臺設計時需要分別計算承載能力極限狀態持久組合和正常使用極限狀態持久組合。最大正彎矩和負彎矩都在船舶撞擊力產生的橫梁上。

（3）親水平臺樁基軸力：第1，2 排樁基軸力較小，最大軸力出現在第二排排架第6 排樁，這主要是上部荷載與船舶撞擊力的疊加作用造成。樁基彎矩：第1～4 排樁基彎矩值小，第5 和第6 排樁基彎矩較大，主要是因為后沿撞擊力使親水平臺結構產生橫向位移變形，后沿撞擊力通過親水平臺排架的分配傳遞過程，使親水平臺結構的變形體現在樁基的變形上。