游艇碼頭聯系橋結構計算與有限元分析

劉揚勇，李婷，于曉巖，常聰聰

（中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東 廣州 510000）

近年來，隨著我國旅游業和游艇產業的蓬勃發展，人們對游艇碼頭的需求日益增長，游艇碼頭的建設也呈現飛速發展的態勢。目前，國內游艇碼頭以浮橋結構為主，由于陸地或者固定碼頭與浮橋結構之間通常存在一定高差，且浮橋高程會隨著水位的變化而變化，因此通常采用一端支承在岸，另一端通過滾輪支座連接浮橋的聯系橋結構，實現從陸地到浮橋的連通銜接。

目前，國內有關游艇碼頭的文獻大部分側重定位樁、浮橋結構、平面布置、選址布局等方面的研究，關于游艇碼頭聯系橋方面的研究尚少。例如，魏志民[1]對聯系橋結構及設計優化的進行了探討及研究，但文中未涉及聯系橋結構的內力計算及分析。本文以某游艇碼頭工程為例，利用MIDAS 有限元分析軟件對聯系橋的結構受力進行詳細計算及分析，探討聯系橋各構件的受力特征并分析不同荷載組合對結構的影響，為類似工程設計提供參考依據。

1 工程概況

某碼頭工程聯系橋長16m、寬2m，最低通航水位時坡度為1：4，一端通過轉動支座固定在過渡墩臺，另一端通過帶限位軌道的滾輪支座放置于浮橋，其平、立面見圖1、2。

圖2 聯系橋結構立面圖

聯系橋由縱梁、端梁、縱梁制安、龍骨、面板、扶手欄桿及各連接件通過螺栓或者焊接組成。為了減輕自重，聯系橋材料采用鋁合金，雖然鋁合金單價比鋼材貴，但其密度大小約是鋼材三分之一左右，因此相同體積的鋁合金價格與鋼材相差不大。同時，鋁合金與鋼材相比，有著更易加工與維修、耐腐蝕性能更好、且更美觀等優點，因此常用于長度為10～20m 的游艇碼頭聯系橋結構[1]。

2 模型建立

2.1 材料參數

主梁及扶手結構均采用牌號6063-T6 的鋁合金型材，橋面鋪設防腐、防滑木板。鋁合金的主要物理性能指標見表1，構件規格參數見表2。

表1 鋁合金的主要物理性能指標表

表2 構件規格參數表

2.2 荷載條件

聯系橋主要承受橋自重、橋面的人群荷載及作用在橋側面的水平向風荷載。根據《游艇碼頭設計規范》（JTS 165-7-2014）[2]規定，聯系橋結構設計人群荷載標準值取為4kpa。

根據《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）[3]，風荷載標準值應按下式計算:

在式中，WK為風荷載標準值（kpa）；為風荷載體型系數，按《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）[4]規定，聯系橋結構本文按2 榀平行桁架計算；為風壓高度變化系數；為基本風壓（kpa）。

2.3 計算荷載組合

（1）1.2×自重。

（2）1.2×自重+1.4×人群荷載。

（3）1.2×自重+1.4×人群荷載+1.4×風荷載。

2.4 模型簡述

（1）聯系橋主梁及扶手結構均采用等效的梁單元模擬，橋面采用等效的板單元模擬。各梁單元間采用彈性連接，板單元與梁單元間也采用彈性連接，模擬各部件之間的相互作用。由于聯系橋一端可自由轉動，另一端可自由轉動和移動，故支承條件視為鉸接。

（2）聯系橋所受人群荷載等效為橋面板單元上的壓力面荷載，風荷載等效為聯系橋一側梁單元上的均布壓力荷載。

（3）根據以上模型構建思路，基于MIDAS 有限元軟件建立整個聯系橋的三維模型見圖3。

圖3 聯系橋三維模型示意圖

3 計算結果及分析

3.1 強度計算

聯系橋各構件的內力、應力計算結果見表3。

表3 聯系橋構件計算結果表

3.2 整體穩定性計算

聯系橋各構件除了應滿足強度要求外，還應滿足整體穩定性要求。根據《鋁及鋁合金結構設計規范》（GB50429-2007）[5]，在最大剛度平面內，受彎構件整體穩定性應滿足：

在式中，MX為繞強軸作用的最大彎矩；為受彎構件的整體穩定系數；WCX為對強軸受壓邊緣的有效截面模量。

軸心受壓（受拉）構件整體穩定性應滿足：

壓彎構件整體穩定性應滿足：

根據表3 的計算結果，聯系橋縱梁方通構件承受的彎矩計算值最大，扶手方通承受的軸力計算值最大，故對其整體穩定性進行計算，結果見表4。

表4 聯系橋整體穩定性計算結果表(MPa)

3.3 撓度計算

根據《鋁合金結構設計規范》（GB50429-2007），主體結構的構件的撓度容許值為l/250，其中l 為跨度或者支點間距離。聯系橋結構最大撓度值為0.037m<16/250=0.064m，撓度設計值小于允許值，滿足撓度允許要求。

3.4 結果分析

根據驗算結果得知，聯系橋構件強度、整體穩定性及構件變形均滿足規范要求，聯系橋各構件的組合應力云圖見圖4。不難看出，扶手方通的組合應力最大，主要是由于構件變形條件約束導致軸力作用較大，其截面尺寸較小，故應力最大。而縱梁方通跨度最大，承受的彎矩作用也最大，是聯系橋自重及人群荷載作用的結果，但設計截面較大，故應力較小；從結構安全設計角度考慮，主梁的應力較小將使得結構整體更可靠。同時縱梁制安的存在減小了縱梁的跨中最大彎矩，因此本工程在兩根縱梁方通之間設置的眾多縱梁制安構件是合理的。

圖4 聯系橋各構件的組合應力云圖

以縱梁方通的計算結果為例，三個荷載組合下的應力計算結果見圖5。可知，人群荷載是影響聯系橋結構強度安全和整體穩定的主導控制荷載，風荷載對結構的影響較小。原因在于聯系橋風荷載標準值計算中風荷載體型系數按照2 榀桁架計算，加之風壓高度變化系數也不大導致最終計算的風荷載標準值較人群荷載小很多。同時風壓作用面太小，聯系橋整體受風荷載作用影響不大。因此，在一般接近地面高程且基本風壓不大的類似工程中，聯系橋的設計可忽略風荷載的影響。

圖5 縱梁方通構件在不同荷載組合下的應力對比圖

關于聯系橋結構的緊固件連接強度、焊縫強度及臨近焊縫的鋁合金構件焊接熱影響區強度，讀者應根據實際工程需求，按照《鋁合金結構設計規范》（GB50429-2007）相關規定進行計算。

4 結語

本文利用MIDAS 有限元分析軟件對游艇碼頭聯系橋結構內力進行詳細分析計算，按照《鋁合金結構設計規范》對聯系橋構件強度、整體穩定性及變形要求進行驗算，驗算結果符合規定。通過對聯系橋各構件的受力特征分析，總結聯系橋的主要受力構件及不同荷載對結構穩定的影響，對聯系橋結構的設計有積極的指導意義。