空間有限元模型和平面模型在高樁碼頭結構計算中的比較分析

摘要：本文結合南通港如皋港區通用碼頭工程，對其高樁梁板式碼頭結構分別采用平面模型（易工水運工程設計軟件）和空間有限元模型（ANSYS空間有限元分析軟件）進行結構計算。本文提出的空間有限元計算思路及前、后處理方法對未來高樁梁板碼頭的設計有一定借鑒作用。

關鍵詞：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構形式。目前，較為傳統常規的高樁碼頭計算方法通常是將空間問題轉化為縱向和橫向兩個平面問題進行計算。在傳統算法中，碼頭結構的計算最終被簡化成以橫向排架為計算單元，求解排架內力的平面二維問題進行分析計算，這往往忽略了碼頭結構各構件空間位置及內力分布的相互影響。本文在運用易工水運設計軟件對高樁梁板碼頭按平面排架進行傳統計算的同時，運用了目前國內外應用較為廣泛的ANSYS有限元計算軟件進行空間有限元分析計算，通過對比分析不同工況下的結構內力計算結果，為高樁碼頭的空間有限元分析計算提供參考。

工程概況

南通港如皋港區通用碼頭工程采用棧橋式平面布置形式，長209m，寬35m。碼頭前沿配置3臺門座起重機，軌距為16m，最大回轉工作幅度均為35m。其中2臺起重量為25t，1臺起重量為40t。件雜貨進出港水平運輸采用牽引車+平板車，在后方堆場與碼頭之間進行，平板車載重分別為25t、40t。

碼頭采用高樁梁板結構，結構上分為4個結構段。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），樁端持力層為粉質粘土夾粉土層。碼頭上部結構由橫梁、縱向梁系、迭合面板、磨耗層和靠船構件組成，橫梁及縱梁節點均現澆。碼頭前沿間隔設置二層帶纜系統。

荷載參數

均布荷載。碼頭均載：30kN/m2。

流動機械。碼頭平臺：20t、40t平板車，25t輪胎式起重機。

裝卸設備荷載。40t-35m門機：軌距16.0m，基距16.0m，最大輪壓300kN，行輪數32個，輪距0.765m；25t-35m門機：軌距16.0m，基距16.0m，最大輪壓280kN，行輪數32個，輪距0.765m。

船舶荷載。船舶撞擊力：根據5萬噸級船舶有效撞擊能量的計算結果，每一排架選用DA-A600H 標準反力型橡膠護舷，經計算，船舶撞擊力為1236kN；船舶系纜力：按5萬噸級船舶以九級風V=22m/s作為設計風速、以水流速度V=2.0m/s作為設計流速，經計算碼頭面選用1000 kN系船柱。

傳統平面方法計算結果

傳統算法計算采用易工水運工程設計軟件，該程序依據最新港口工程技術規范開發，包含了荷載前處理、作用效應計算、截面承載力驗算、單樁抗拉抗壓極限承載力驗算、碰樁驗算等多個功能。在進行高樁梁板碼頭計算時，系統將空間結構按照橫向排架為計算單元簡化為平面桿系進行結構分析，進而求解出橫梁及樁基礎內力等結果。

采用易工軟件計算碼頭各構件內力結果如下表：

ANSYS空間有限元計算

1、建模方法

采用梁板單元建模方法，將面板采用板殼（shell）單元進行模擬，縱橫梁以及樁基礎采用梁（beam）單元進行模擬。同時，對縱橫梁的形心位置進行了偏移，并對不在同一高度的樁單元和橫梁單元的剛性連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際特征得到了真實的反映。此方法可以獲得和實體單元建模方法非常接近的計算結果，且計算時間大大縮短。本文重點對上部結構的內力進行分析計算，按照假想嵌固點法對樁基礎進行固端約束處理，計算模型只考慮嵌固點以上部分的樁。

2、荷載及組合

通過平面算法的計算，可以發現起控制作用的荷載主要有永久荷載、散貨荷載和門機荷載。這幾種荷載在承載能力極限狀態持久組合下的分項系數為：

永久荷載：γG=1.2；散貨荷載γQ=1.5；門機荷載γQ=1.5。

施加永久荷載較為簡單，只需在模型z方向添加一個重力加速度，具有密度屬性的單元便會產生重力。

散貨荷載施加時考慮了門機軌道梁兩側1.5m范圍不堆貨的情況先將荷載加在面上然后轉化至有限元模型上。

門機荷載為移動荷載，其施加較為復雜。考慮到門機可能并機在軌道梁上滾動，對門機荷載進行了循環語句編寫，滾動步長設為0.5m，通過循環語句控制，門機荷載在碼頭面上每移動0.5m軟件就求解一次并將計算結果存入結果文件，通過后處理可獲得門機荷載作用時各構件內力的最大值。

3、計算成果

分析平面算法計算結果分析發現，對構件內力最大值其控制作用的荷載為永久荷載、散貨荷載和門機三種荷載。施加永久荷載、散貨荷載及門機，門機荷載考慮兩臺門機并機運行，間距1.5m。計算時利用循環語句，將移動作用的門機荷載在碼頭面上沿兩條軌道梁以0.5m步長移動。門機荷載每移動一次即求解一次，本荷載一共移動26次，計算完畢后將生成26個載荷步作用下的構件內力。為了方便比較，進行了如下三種工況的計算。

ANSYS有限元分析的計算結果如下表2：

從表中可以發現，橫梁正彎矩設計值最大值出現在永久荷載+散貨荷載這一荷載工況組合下，其余構件內力最大值均出現在永久荷載+散貨荷載+門機荷載這一荷載工況組合下。

4、結果對比分析

比較ANSYS軟件三種荷載工況結果發現，除了橫梁最大正彎矩最大值出現在第一種荷載工況：永久荷載+散貨荷載中，其余構件內力最大值均出現在第三種荷載工況：永久荷載+散貨荷載+門機中，這與易工傳統算法計算結果中構件內力最大值對應工況是完全一致的。

易工傳統算法與ANSYS空間有限元計算結果構件內力最大值及荷載組合情況如表3所示。

結果顯示，兩種算法的樁力設計值、橫梁剪力設計值比較接近，橫梁、軌道梁的彎矩設計值ANSYS計算結果要小于易工傳統算法計算結果。

結論

本文運用平面模型（易工軟件）和空間有限元模型（ANSYS軟件）分別對南通港如皋港區通用碼頭結構進行了計算分析，對比分析了不同工況下的結構內力計算結果：

根據對易工傳統算法和ANSYS空間有限元計算結果的對比分析，在各設計荷載組合下，兩者求得的樁基軸力計算結果兩種算法非常一致，說明在處理豎向荷載作用下的樁力分配問題，傳統平面算法和空間有限元算法差異不大。

對于橫梁和軌道梁內力，易工平面算法是將門機荷載直接作用于軌道梁上，然后傳遞到橫梁及樁基礎上，ANSYS空間有限元算法則考慮到了面板及其他縱梁對門機荷載的分擔作用，因而計算結果相對較小。

傳統平面模型和空間模型各有優勢，從目前實際工程應用看，平面模型因為作了簡化處理，建模較方便，計算結果偏保守，使用較廣泛；空間模型能較好地反映碼頭結構構件的實際受力情況，建模理論本身更為優化，但計算量一般較大，且在單元劃分、邊界條件設定、參數選取等方面對設計經驗也有較高的要求。因此，建議在有條件情況下，分別采用兩種模型作校核計算，綜合分析取用，保證碼頭結構設計的優化和安全可靠。