應(yīng)用MIDAS Civil軟件的高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算方法淺析

張叢麗

摘 要：MIDAS Civil空間有限元分析軟件，目前主要用于橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑、飛機(jī)場(chǎng)、大壩、港口等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。MIDAS Civil軟件，具有精度高、計(jì)算結(jié)果顯示直觀生動(dòng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)。該文以湛江東海島某高樁梁板碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算為例，采用有限元軟件MIDAS Civil對(duì)其進(jìn)行三維整體建模，對(duì)在移動(dòng)荷載作用下的碼頭結(jié)構(gòu)的整體受力情況進(jìn)行了分析并與傳統(tǒng)的二維平面計(jì)算方法進(jìn)行比較，得出了更為準(zhǔn)確合理的計(jì)算結(jié)果，可作為同類型實(shí)際工程設(shè)計(jì)的參考。

關(guān)鍵詞：MIDAS Civil軟件 高樁梁 板式碼頭

中圖分類號(hào)：U656 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0090-02

高樁梁板碼頭的傳統(tǒng)計(jì)算方法是將碼頭簡(jiǎn)化為二維平面結(jié)構(gòu)，即橫向排架，再將空間荷載按比例系數(shù)分配作用于簡(jiǎn)化的橫向排架上，排架內(nèi)力按平面桿系計(jì)算。由于碼頭面荷載較復(fù)雜多變，尤其對(duì)于門(mén)機(jī)、門(mén)座起重機(jī)、卸船機(jī)等移動(dòng)荷載，傳統(tǒng)平面計(jì)算方法無(wú)法考慮；同時(shí)，高樁梁板碼頭實(shí)為空間結(jié)構(gòu)，作用力同時(shí)向縱向和橫向兩個(gè)方向傳遞，傳統(tǒng)的平面計(jì)算方法同樣無(wú)法考慮。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，各種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件大量涌現(xiàn)并且逐漸為設(shè)計(jì)人員所采用。MIDAS Civil是一款通用的空間有限元分析軟件，可適用于橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑、飛機(jī)場(chǎng)、大壩、港口等結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)。MIDAS Civil結(jié)合國(guó)內(nèi)規(guī)范與習(xí)慣，在建模、分析、后處理、設(shè)計(jì)等方面提供了很多便利的功能。其主要特點(diǎn)如下。

提供菜單、表格、文本、CAD導(dǎo)入和部分其他程序文件等靈活多樣的建模功能；提供中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的材料和截面數(shù)據(jù)庫(kù)、混凝土收縮和徐變規(guī)范、移動(dòng)荷載規(guī)范；提供桁架、一般梁/變截面梁、平面應(yīng)力/平面應(yīng)變、板、實(shí)體單元等工程實(shí)際所需的各種有限元模型；在后處理中，可根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范自動(dòng)生成荷載組合，也可以手動(dòng)添加和修改荷載組合；可以輸出各種反力、位移、內(nèi)力和應(yīng)力的圖形、表格和文本，提供靜力和動(dòng)力分析的動(dòng)畫(huà)文件等。

該文即采用MIDAS Civil對(duì)湛江東海島某高樁梁板碼頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

1 工程概況

湛江東海島某碼頭總長(zhǎng)392 m，寬36.8 m，碼頭面頂高程7.5 m，前沿設(shè)計(jì)底高程為-10.7 m。

碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，共分5個(gè)結(jié)構(gòu)段，每個(gè)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)78.4 m，排架間距9 m。

樁基礎(chǔ)采用φ1.2 mPHC樁與φ1.0 m鋼管樁組合方案。每個(gè)排架下設(shè)置8根樁，含一對(duì)叉樁與6根直樁，叉樁斜率5∶1；其中叉樁為鋼管樁，直樁為PHC樁。所有樁端以粗砂層作為持力層。

碼頭結(jié)構(gòu)采用正交梁板體系，橫梁縱梁均為梯形截面，梁高2.5 m，寬1.2 m，面板厚0.55 m。

碼頭附屬設(shè)施采用1 500 kN系船柱與SC1450H兩鼓一板標(biāo)準(zhǔn)反力型橡膠護(hù)舷，系船柱間距27 m，橡膠護(hù)舷間距18 m。

2 建立模型

結(jié)合工程實(shí)際情況，碼頭的縱橫梁、面板、樁帽之間的連接方式采用剛性連接，從而使碼頭的上部結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體；樁帽與下部樁基的連接方式采用固接；樁基底端嵌固。

碼頭各構(gòu)件截面按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，面板、橫梁、縱梁的中性面、中性軸按實(shí)際高程考慮。樁基采用假想嵌固點(diǎn)法，根據(jù)地質(zhì)土層參數(shù)計(jì)算假想嵌固點(diǎn)高程。建模時(shí)，碼頭面板采用板單元，其余構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧?，有限元模型如圖1所示。

3 荷載工況

3.1 自重

碼頭縱橫梁、面板等結(jié)構(gòu)自重，由軟件根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸及容重自動(dòng)計(jì)算。

3.2 均布荷載

碼頭前沿線往后3～13.5 m范圍內(nèi)：20 kPa；碼頭前沿線往后13.5～29 m范圍內(nèi)：30 kPa；碼頭前沿線往后29～36.8 m范圍內(nèi)：60 kPa。

3.3 撞擊力

橡膠護(hù)舷最大反力1 872 kN，受力排架為第三個(gè)和第五個(gè)。

3.4 系纜力

系纜力標(biāo)準(zhǔn)值為1 500 kN，系船纜夾角按照現(xiàn)行港口荷載規(guī)范取值。

3.5 波浪力

碼頭結(jié)構(gòu)所受波浪力包含以下3部分：（1）波浪對(duì)樁基的作用；（2）波浪對(duì)碼頭正面橫梁、靠船構(gòu)件的作用；（3）波浪對(duì)碼頭上部結(jié)構(gòu)的浮托力。

3.6 卸船機(jī)

1 800 t/h卸船機(jī)，軌距26 m，基距18 m，4個(gè)支腿，每腿10輪。

工作狀態(tài)：海側(cè)軌最大輪壓480 kN/輪；陸側(cè)軌最大輪壓410 kN/輪。

非工作狀態(tài)：海側(cè)軌最大輪壓400 kN/輪；陸側(cè)軌最大輪壓840 kN/輪。

海側(cè)軌距碼頭前沿線3 m。

3.7 門(mén)機(jī)

40t-40m門(mén)機(jī)，軌距10.5 m，基距12 m，4個(gè)支腿，每腿8輪。

工作狀態(tài)：海側(cè)軌最大輪壓390 kN/輪；陸側(cè)軌最大輪壓260 kN/輪。

非工作狀態(tài)：海側(cè)軌最大輪壓380 kN/輪；陸側(cè)軌最大輪壓440 kN/輪。

海側(cè)軌距碼頭前沿線3 m。

3.8 荷載組合

（1）永久作用+均載+卸船機(jī)（工作狀態(tài)）+系纜力；（2）永久作用+均載+門(mén)機(jī)（工作狀態(tài)）+系纜力；（3）永久作用+均載+撞擊力；（4）永久作用+均載+卸船機(jī)（非工作狀態(tài)）+波浪力；（5）永久作用+均載+門(mén)機(jī)（非工作狀態(tài)）+波浪力；（6）永久作用+均載+波浪力。

4 計(jì)算結(jié)果分析

將上述荷載及組合工況輸入MIDAS Civil三維模型，對(duì)碼頭進(jìn)行整體數(shù)值分析后得出計(jì)算結(jié)果如表1所示。與使用易工軟件進(jìn)行平面計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示樁力分配較為均勻合理，各構(gòu)件內(nèi)力均在承載力范圍內(nèi)，滿足使用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用MIDAS Civil三維有限元軟件對(duì)高樁梁板碼頭進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，具有精度高、計(jì)算結(jié)果顯示直觀生動(dòng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)且得出的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確合理，可作為同類型實(shí)際工程設(shè)計(jì)的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 成小飛.MIDASCIVIL在高樁碼頭承載能力計(jì)算分析中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（11）：158-159.

[2] 董華鋼.高樁碼頭設(shè)計(jì)按空間與平面計(jì)算方法的比較[J].水運(yùn)工程，2001（9）：36-37.

[3] JTS 167-1-2010，高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].