呂雁嵐 王昊 張倫

摘 要：本文以重慶某框架式碼頭為例，利用有限元軟件ANSYS建立空間三維模型，對其進行靜力計算并得出單一荷載工況下不同構件的各單元力學響應值。結合MATLAB軟件對這些力學響應值進行組合計算，整理出各構件的最不利荷載組合情況以及相應的內力值，大大提高了荷載組合計算的準確性和效率，為后期的結構優(yōu)化提供依據(jù)并對同類型碼頭結構荷載組合計算具有一定指導意義。

關鍵詞：框架式碼頭;ANSYS;MATLAB;荷載組合

中圖分類號：U656.1? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0087-02

1工程概況

本文以重慶港忠縣港區(qū)新生作業(yè)區(qū)一期碼頭工程為實例，工程建設地點為重慶市忠縣新生鎮(zhèn)，長江左岸，上游航道里程約438km。本工程主要新建7個5000噸級（水工兼顧10000噸級）的多用途泊位，前沿作業(yè)平臺采用框架式樁基梁板結構，長度為1041m，寬度為30m，排架間距為8m，共140榀，每榀排架下設4根鉆孔灌注樁。單個橫向排架結構見圖1所示。

2 計算參數(shù)的確定

2.1截面尺寸

依據(jù)碼頭設計圖紙，選取一個結構分段，共5榀排架，兩端懸臂均為1.6m，碼頭面板厚0.45m，其余構件尺寸見表1。

2.2計算荷載及工況

（1）永久作用：重力加速度取9.8m/s2;軟件自動施加結構自重，共計一種工況。

（2）可變作用：按照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）[1]進行計算。船舶系纜力作用位置與系船柱的實際布置位置一致，共計14種工況。船舶撞擊力作用在臨水側的橡膠護舷上，共計94種工況。水流力根據(jù)撞擊力、系纜力不同作用位置相對應的實際水位確定，共計14種工況。機械荷載考慮兩個岸橋式起重機并機共同作業(yè)，按照每次移動1m的距離，共計68種工況。堆載簡化考慮隨機施加于每跨面板，共計31種工況。

3 靜力計算及荷載組合計算

3.1有限元模型

選用SHELL181殼單元模擬碼頭面板，其余構件均采用BEAM189單元模擬，樁基在假想嵌固點約束所有自由度，有限元模型見圖2所示。

3.2荷載組合

不同荷載工況按照《碼頭結構設計規(guī)范》（JTS167-2018）[2]進行荷載組合計算。根據(jù)實際情況可知撞擊力和系纜力不能同時出現(xiàn)，因此共計8種荷載組合方式。結合不同荷載工況，產生的荷載組合方式多達=227664種，本文運用MATLAB編程，對這些工況進行組合計算，能夠大大提高荷載組合計算的準確性和效率。

前排樁（單元編號1～196#）在撞擊力作用下荷載組合計算過程：

（1）利用ANSYS建立有限元模型，將各單一荷載工況施加在三維模型上并求解各個單元的力學響應值;

（2）通過APDL語言編程提取ANSYS中前排樁各單元在單一荷載工況下的力學響應值，批量輸出為txt格式文件，txt文件中的第1列為單元號，第2列至最后一列為各單元在單一荷載工況作用下對應的內力值;

（3）第一步，利用MATLAB讀取前排樁各單元在永久荷載這一工況下的第a列數(shù)值（2≤a≤13，包括軸力FX、彎矩MY和MZ、剪力SFZ和SFY等），存儲為矩陣A196×1，第二步讀取前排樁各單元在94種撞擊力工況下的第a列數(shù)值，存儲為矩陣B196×94，第三步讀取前排樁各單元在14種水流力工況下的第a列數(shù)值，同時根據(jù)撞擊力的作用位置擴展成一個196行94列的矩陣C196×94，第四步讀取前排樁各單元在68種機械荷載工況下的第a列數(shù)值，存儲為矩陣D196×68，第五步讀取前排樁各單元在31種堆貨荷載工況下的第a列數(shù)值，存儲為矩陣E196×31;

（4）按照有撞擊力參與的4種荷載組合方式，對矩陣A196×1、B196×94、C196×94、D196×68、E196×31進行計算，求取不同組合結果中的最大值和最小值，并記錄其組合方式以及其對應的工況編號和單元位置。

系纜力情況下的荷載組合計算與撞擊力計算方法相同，計算出8種荷載組合值之后，通過 計算結果 主導可變作用

-14762.57 堆載

-6950.70 撞擊力

后排樁 軸力（kN） -10412.39 堆載

彎矩（kN·m） 3207.73 系纜力

軌道梁 彎矩（kN·m） 1181.33 機械荷載

剪力（kN） 1127.61 機械荷載

橫梁 彎矩（kN·m） 2520.26 堆載

剪力（kN） -2248.58 堆載

鋼靠船構件 彎矩（kN·m） 1451.13 撞擊力

剪力（kN） 1625.08 撞擊力

鋼橫撐 軸力（kN） -2104.25 撞擊力

彎矩（kN·m） 1396.55 撞擊力

荷載組合值、出現(xiàn)的單元編號及其荷載組合方式。

3.3計算結果

在承載能力極限狀態(tài)下，經過MATLAB進行荷載組合計算得出結構主要受力構件的軸力、彎矩、剪力分量的最值及其對應的主導可變作用，見表2所示。

通過分析各構件的最不利力學響應值及其荷載組合方式，結論表明框架式碼頭受力狀況較為復雜，起控制作用的工況類型較多。數(shù)據(jù)表明后排樁比前排樁的受力狀況好，因此選取較小的樁基直徑，能夠減少施工難度、節(jié)約工程成本。鋼橫撐彎矩極值對應的應力比達到0.90，是由撞擊力占主導可變作用而產生的，對應的組合方式為自重+撞擊力94+水流力14+機械荷載23+堆載26。其原因主要是在低水位時撞擊力發(fā)生在最底層的鋼靠船構件處，水平荷載只能通過鋼橫撐進行傳遞，但由于該層的鋼橫撐沒有與前排樁連成整體，所承受的水平荷載不能完全地向后面?zhèn)鬟f，造成應力集中在最底層的鋼橫撐與前排樁基的交點附近，結構整體受力不協(xié)調，結構有待進一步優(yōu)化。

4 結語

由于框架式碼頭結構受力情況比較復雜，不同荷載工況對各構件產生的影響不盡相同。本文結合具體工程實例，詳細介紹了基于ANSYS與MATLAB軟件對不同荷載工況進行組合計算的方法步驟，該方法能夠準確且高效地搜索出碼頭各構件內力的最不利荷載組合值、出現(xiàn)的單元編號以及其對應的荷載組合方式，為進一步優(yōu)化受力構件尺寸以及結構型式提供依據(jù)。

參考文獻：

[1] JTS144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范[S].

[2] JTS167-2018，碼頭結構設計規(guī)范[S].