安徽省某高桩框架码头的空间有限元计算方法探讨

安徽省某高桩框架码头的空间有限元计算方法探讨

张丛丽

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

摘 要：本文结合工程实例，使用MIDAS Civil有限元软件对高桩框架码头结构按照空间结构进行计算，并用易工水运工程结构CAD集成软件（V2.0）进行校核计算。通过两种计算结果对比表明，高桩框架码头采用空间有限元的计算方法是可行的并且更符合实际情况，对同类型实际工程计算具有一定的指导意义。 关键词：高桩框架码头；空间有限元结构计算；MIDAS Civil有限元软件

中图分类号：U657 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）03-0175-03

引言

现行高桩码头设计与施工规范中，一般将高桩框架码头假定为平面问题进行分析，其中横向排架内力按平面杆系计算，纵向按弹性支撑或刚性支撑的连续梁计算。虽然使用此种传统的计算方法得出的结果较为安全合理，但缺点是对于一个空间结构的高桩框架码头来说，未考虑力是向纵向和横向同时传递的。本文以安徽省某在建码头为原型，利用MIDAS Civil有限元软件建立空间有限元模型，计算设计高水位工况下码头的结构内力，并用易工水运工程结构CAD集成软件（V2.0）进行校核，并对两种方法计算结果进行对比分析。由于篇幅限制，本文只对各构件内力最大的情况进行罗列和分析。

一、工程概况

安徽省某码头工程项目为可靠泊500t级和1,000t级（兼顾）件杂货船的泊位。码头主体结构采用高桩框架结构，上部结构整体现浇。码头结构总长196m，宽18m；共7个分段，分段长度24m（31m）；共36榀排架，排架间距为6m（7m）；每榀排架设置3根F1m钻孔灌注桩作为基础。码头断面图如图1所示。

立柱

0.8×0.8

桩帽

2.0×1.2

名称

截面尺寸（m）（宽×高） 1.2×1.5 0.8×1.2

1．截面尺寸

依据码头设计图纸，选取24m长的结构段，本结构段共4榀排架，排架间距7m，两端悬臂均为1.5m。

码头面板厚0.45m，桩截面直径1m，其余各构件尺寸详见表1。

表1 码头构件参数表

名称

截面尺寸（m） （宽×高） 0.6×0.8 0.6×0.8

名称

截面尺寸（m）（宽×高） 1.0×1.9 0.4×0.4

横梁纵梁

横撑纵撑

靠船构件 水平撑

2．材料参数

码头结构各构件均采用C30钢筋混凝土，弹性模量、泊松比和密度分别取3.0×104MPa、0.167和2.5×103kg/m3。

3．荷载参数

本文计算选取的荷载效应组合为：永久荷载+码头面均布荷载+船舶撞击力（设计高水位）。永久荷载由软件根据各构件体积、密度自动进行计算；船舶撞击力为集中力，取550kN；码头面均布荷载取20kN/m2。荷载分项系数分别取1.2、1.5、1.5。

三、计算模型建立 1．边界条件

结合工程实际情况，码头的纵横梁、面板、立柱、纵横撑与桩帽之间的连接方式采用刚性连接，从而使码头的上部结构形成一个整体；桩帽与下部桩基的连接方式采用固接；桩基底端嵌固。

2．MIDAS Civil软件计算模型

码头各构件截面按照实际尺寸进行建模，面板、横梁、纵梁的中性面、中性轴按实际高程考虑。桩基采用假想嵌固

图1 码头断面示意图

二、计算参数的确定 收稿日期：2017-01-26

点法，根据地质土层参数计算假想嵌固点高程。建模时，码头面板采用板单元，其余构件均采用梁单元，有限元模型如

作者简介：张丛丽（1984-），女，中铁第五勘察设计院集团有限公司工程师。

176 中 国 水 运 第17卷 图2所示。

图2 MIDAS Civil软件计算模型示意图 3．易工软件计算模型

码头各构件截面同样按照实际尺寸进行建模，各构件高程实际高程考虑。桩基同样采用假想嵌固点法。计算模型如图3所示。

图3 易工软件计算模型

四、计算结果及分析

由于篇幅限制，本文仅给出码头部分构件在计算工况下的最不利结果。

1．计算结果

使用MIDAS Civil软件对码头结构按照空间结构进行计算的结果如图4~图7所示。

图4 横梁弯矩示意图

图5 纵梁弯矩示意图

图6 桩轴力示意图

图7 框架内力示意图

使用两种软件计算的码头各构件内力见表2。

表2 码头构件主要内力计算结果对比表

空间计算

平面计算 构件名称

（MIDAS Civil软件）（易工软件v2.0） 空间与平面相差

（kN·m/kN）

（kN·m/kN）

（%）

横梁 1,123.6 1,346.2 -16.5 纵梁 676.5 715.3 -5.5 立柱 481.3 582.6 -17.4 横撑 447.5 545.4 -17.8 纵撑 294.6 324.3 -9.2 桩

2,916.1

2,895.0

0.7

2．数据分析

由图6、图7可以看出，每榀排架、每榀纵梁的内力是不完全相同的。由表2可以看出使用空间有限元方法计算的码头上部构件的内力均比使用平面方法计算的小5.5%~17.8%，但桩的轴力相差不到1%。

造成上述差异的原因可能是平面计算方法无法考虑整个结构体系之间力的传递，实际上纵向梁系对框架横向受力传递具有一定的贡献。

五、结语

高桩框架码头的结构分段是一个空间整体结构，严格来说，应该取一个结构分段按空间结构设计计算，充分考虑上

部结构各连接构件之间的相互作用以及纵向梁系对横向排架受力的分担。但是，传统的平面计算方法忽略了这些，导致计算结果偏于保守。本文结合工程实例采用空间有限元方法对高桩框架码头进行计算分析，为工程设计提供一种更准确合理的计算方法，对实际工程计算具有一定的指导意义。

参考文献

[1] 成小飞.MIDASCIVIL在高桩码头承载能力计算分析中的

应用[J].山东工业技术，2015，11：158-159.

[2] 李承柱.浅谈内河高桩框架码头结构设计理论和方法[J].

珠江水运，2014，3：72-73.

[3] JTS167-1-2010，高桩码头设计与施工规范[S].