三種有限元軟件在板樁碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用研究

劉 文 平

(蘭州軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730020)

1 概述

為了突破傳統(tǒng)板樁墻結(jié)構(gòu)型式在碼頭建設(shè)中應(yīng)用的局限性，近年來(lái)提出了一種碼頭結(jié)構(gòu)——遮簾式板樁[1，2]，由于遮簾樁承擔(dān)了部分碼頭側(cè)土體壓力，從而使前板墻的側(cè)向受力有大大減少。但此類結(jié)構(gòu)無(wú)成熟的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，而模型試驗(yàn)[3，4]由于受到各種條件的限制，均無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)雜工況進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。而有限元數(shù)值分析是近年來(lái)飛速發(fā)展起來(lái)的計(jì)算方法，廣泛用于求解結(jié)構(gòu)、流體及各種耦合分析等各種復(fù)雜的模型。有限元計(jì)算精度高，可以進(jìn)行不同的巖土本構(gòu)關(guān)系分析，模擬施工過(guò)程以及計(jì)算結(jié)構(gòu)與土體的共同作用。研究思路，通過(guò)PLAXIS，ANSYS及FLAC三種不同軟件進(jìn)行計(jì)算，分析對(duì)比不同軟件計(jì)算結(jié)果；將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)相比較，分析計(jì)算數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差異，推薦一種可用于工程設(shè)計(jì)的實(shí)用有限元計(jì)算方法，這也是本文的目的。

2 工程概況

本文以京唐港32號(hào)碼為例進(jìn)行計(jì)算分析。碼頭設(shè)計(jì)水位為0.27 m，前沿碼頭泥面線設(shè)計(jì)高程為-16.0 m，碼頭前墻高度為27.0 m、厚度為1.0 m，錨錠墻高度為16 m、厚度為1.2 m，遮簾樁長(zhǎng)度為30.0 m，尺寸為1.0 m×2.0 m，間距2.75 m，前墻、遮簾樁和錨錠墻通過(guò)鋼系拉桿進(jìn)行連接。計(jì)算截面見(jiàn)圖1。

3 二維有限元模擬

3.1 程序簡(jiǎn)介

在工程分析計(jì)算當(dāng)中，由于二維有限元[5,6]建模方便，計(jì)算歷時(shí)短，計(jì)算精度能滿足工程應(yīng)用，從而被廣泛應(yīng)用。常用的有限元計(jì)算軟件為ANSYS,PLAXIS以及FLAC。ANSYS是通用的有限元計(jì)算軟件，建模方便，通過(guò)單元生死功能可以模擬不同的施工步驟， PLAXIS程序功能比較強(qiáng)大，能夠模擬較多的實(shí)際工程，能夠模擬土體、墻、板和梁結(jié)構(gòu)及各種結(jié)構(gòu)和土體的接觸面。程序能夠動(dòng)態(tài)顯示計(jì)算信息，有利于結(jié)果監(jiān)控。FLAC采取動(dòng)態(tài)松馳法求解,求解過(guò)程不需要形成較大的剛度矩陣,對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存配置要求低,有利于求解大型工程。FLAC可以進(jìn)行大變形分析,更適合進(jìn)行巖土工程的破壞研究。

3.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算準(zhǔn)則

根據(jù)提供的地質(zhì)資料，其計(jì)算參數(shù)取值：混凝土重度25 kN/m3，彈性模量3×1010Pa，泊松比0.2；鋼重度78.5 kN/m3，彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.2，其余參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各材料計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型采用理想彈塑性下的摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，ANSYS采用的屈服準(zhǔn)則為摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則的一種特殊形式，當(dāng)使用DP4準(zhǔn)則時(shí)需要對(duì)巖土的C，φ值進(jìn)行轉(zhuǎn)化。PLAXIS與FLAC程序中由于自帶有摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，則參數(shù)不需要轉(zhuǎn)換，直接輸入巖土的C,φ值。

則直接輸入。

3.3 模型建立

在遮簾式碼頭結(jié)構(gòu)中，前墻及錨錠墻均為鋼筋混凝土連續(xù)墻，遮簾樁尺寸為2 m×1 m，兩樁之間的距離2.75 m，為進(jìn)行二維平面應(yīng)變求解，需將遮簾樁用剛度等效的辦法等效成可用于二維求解的連續(xù)墻。剛度等效就是等效前后剛度中EI一致，由于E為定值，通過(guò)I=bh3/12，將尺寸為1 m×2 m的樁等效成為1.43 m厚的連續(xù)墻。ANSYS模型中，碼頭中的土體單元采用六節(jié)點(diǎn)三角形平面PLANE2，前墻、遮簾樁及錨錠墻混凝土結(jié)構(gòu)均采用Beam3梁?jiǎn)卧?，鋼系桿用Link1桿單元進(jìn)行模擬。PLAXIS建模中，碼頭中的土體單元采用六節(jié)點(diǎn)三角形平面單元，前墻、遮簾樁及錨錠墻混凝土結(jié)構(gòu)采用連續(xù)墻進(jìn)行模擬，鋼系桿采用拉桿模擬。 FLAC模型中，土體單元為四邊形結(jié)構(gòu)，遮簾樁、前墻及錨錠墻均采用結(jié)構(gòu)單元Beam來(lái)模擬。由于在FLAC中沒(méi)有專門的桿單元，因此采用錨索Cable單元來(lái)模擬拉桿，在建模的時(shí)候Cable單元與Pile單元采用共節(jié)點(diǎn)處理，考慮砂土與鋼拉桿之間的摩擦，軟件輸入摩擦角28°。三種程序均考慮了砂土與鋼拉桿的摩擦力。模型的邊界條件為左右側(cè)為水平約束，上端為自由邊界，底部固定。有限元模型見(jiàn)圖2。

3.4 模擬計(jì)算及結(jié)果

南京水利科學(xué)研究院組織的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間，水位位于1 m～2 m之間，為了便于與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析對(duì)比，本次模擬工況水位取正常水位線0.27 m以上1 m作為水位取值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)受力及變形計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果看，三種有限元程序計(jì)算結(jié)果總體趨勢(shì)上是一致的，但量程上有一定的差異?？傮w來(lái)講，ANSYS與PLAXIS程序計(jì)算結(jié)果比較接近。前墻彎矩ANSYS及PLAXIS程序計(jì)算值較FLAC要大，樁上彎矩FLAC計(jì)算結(jié)果比前二種程序要大。拉桿力ANSYS計(jì)算結(jié)果與FLAC計(jì)算結(jié)果比較接近。由于實(shí)際工程中彈性模量一般不易精確測(cè)量，而彈性模量取值對(duì)位移影響很大，從目前給定的土體彈性模量計(jì)算結(jié)果來(lái)看，錨錠點(diǎn)位移ANSYS及PLAXIS計(jì)算值偏大，如果砂土彈性模量提高，錨錠點(diǎn)位移則相應(yīng)會(huì)減少。從我們以往對(duì)三種程序計(jì)算的情況來(lái)看，同樣的算例常常是ANSYS及PLAXIS算出的位移要大于FLAC算出的位移。三種有限元軟件計(jì)算的前墻、遮簾樁及錨錠墻彎矩分布見(jiàn)圖3～圖5。其中ANSYS中規(guī)定正彎矩在右面，而其他兩個(gè)程序正彎矩在左邊。

3.5 碼頭原型觀測(cè)

南京水利科學(xué)研究院組織相關(guān)人員對(duì)碼頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。碼頭原型觀測(cè)共布置了3個(gè)斷面，編號(hào)分別為2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)。觀測(cè)期間潮水位一般介于1.0 m～2.0 m之間。觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

比較軟件計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值，前墻的彎矩相差較大，但我們分析在前墻臨空情況下，正彎矩應(yīng)大于負(fù)彎矩，所以我們認(rèn)為計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是正確的。遮簾樁彎矩與監(jiān)測(cè)比較接近，拉桿力與監(jiān)測(cè)相差不大，2號(hào)斷面監(jiān)測(cè)與ANSYS計(jì)算拉桿力相近，錨錠點(diǎn)位移軟件計(jì)算結(jié)果均較監(jiān)測(cè)值要大，這與選取的彈性模量有關(guān)，且由于計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值最接近，因此推薦使用二維ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)，無(wú)公認(rèn)的合理的常規(guī)方法。本文通過(guò)PLAXIS，ANSYS及FLAC三種不同有限元軟件分別對(duì)該種結(jié)構(gòu)作了二維計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果看ANSYS及PLAXIS比較接近，其計(jì)算前墻彎矩比FLAC計(jì)算結(jié)果偏大，樁上正彎矩FLAC計(jì)算結(jié)果要比前二者大。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與三種計(jì)算軟件相比較，ANSYS軟件與其最為接近，但有限元程序錨錠點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果比監(jiān)測(cè)值稍大，這與彈性模量值選取有關(guān)，可應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)，著重推薦ANSYS軟件作為此類碼頭工程設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。