基于ANSYS與MATLAB的框架式碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算

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(jìn)行靜力計(jì)算并得出單一荷載工況下不同構(gòu)件的各單元力學(xué)響應(yīng)值。結(jié)合MATLAB軟件對這些力學(xué)響應(yīng)值進(jìn)行組合計(jì)算，整理出各構(gòu)件的最不利荷載組合情況以及相應(yīng)的內(nèi)力值，大大提高了荷載組合計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率，為后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)并對同類型碼頭結(jié)構(gòu)荷載組合計(jì)算具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：框架式碼頭;ANSYS;MATLAB;荷載組合

中圖分類號：U656.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)例，工程建設(shè)地點(diǎn)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(gè)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(jié)構(gòu)，長度為1041m，寬度為30m，排架間距為8m，共140榀，每榀排架下設(shè)4根鉆孔灌注樁。單個(gè)橫向排架結(jié)構(gòu)見圖1所示。

2 計(jì)算參數(shù)的確定

2.1截面尺寸

依據(jù)碼頭設(shè)計(jì)圖紙，選取一個(gè)結(jié)構(gòu)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(gòu)件尺寸見表1。

2.2計(jì)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(jié)構(gòu)自重，共計(jì)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(jìn)行計(jì)算。船舶系纜力作用位置與系船柱的實(shí)際布置位置一致，共計(jì)14種工況。船舶撞擊力作用在臨水側(cè)的橡膠護(hù)舷上，共計(jì)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(yīng)的實(shí)際水位確定，共計(jì)14種工況。機(jī)械荷載考慮兩個(gè)岸橋式起重機(jī)并機(jī)共同作業(yè)，按照每次移動1m的距離，共計(jì)68種工況。堆載簡化考慮隨機(jī)施加于每跨面板，共計(jì)31種工況。

3 靜力計(jì)算及荷載組合計(jì)算

3.1有限元模型

選用SHELL181殼單元模擬碼頭面板，其余構(gòu)件均采用BEAM189單元模擬，樁基在假想嵌固點(diǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS167-2018）[2]進(jìn)行荷載組合計(jì)算。根據(jù)實(shí)際情況可知撞擊力和系纜力不能同時(shí)出現(xiàn)，因此共計(jì)8種荷載組合方式。結(jié)合不同荷載工況，產(chǎn)生的荷載組合方式多達(dá)=227664種，本文運(yùn)用MATLAB編程，對這些工況進(jìn)行組合計(jì)算，能夠大大提高荷載組合計(jì)算的準(zhǔn)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(jì)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(gè)單元的力學(xué)響應(yīng)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(xué)響應(yīng)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(yīng)的內(nèi)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(shí)根據(jù)撞擊力的作用位置擴(kuò)展成一個(gè)196行94列的矩陣C196×94，第四步讀取前排樁各單元在68種機(jī)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(jìn)行計(jì)算，求取不同組合結(jié)果中的最大值和最小值，并記錄其組合方式以及其對應(yīng)的工況編號和單元位置。

系纜力情況下的荷載組合計(jì)算與撞擊力計(jì)算方法相同，計(jì)算出8種荷載組合值之后，通過 計(jì)算結(jié)果 主導(dǎo)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(jī)械荷載

剪力（kN） 1127.61 機(jī)械荷載

橫梁 彎矩（kN·m） 2520.26 堆載

剪力（kN） -2248.58 堆載

鋼靠船構(gòu)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(jì)算結(jié)果

在承載能力極限狀態(tài)下，經(jīng)過MATLAB進(jìn)行荷載組合計(jì)算得出結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的軸力、彎矩、剪力分量的最值及其對應(yīng)的主導(dǎo)可變作用，見表2所示。

通過分析各構(gòu)件的最不利力學(xué)響應(yīng)值及其荷載組合方式，結(jié)論表明框架式碼頭受力狀況較為復(fù)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(yīng)的應(yīng)力比達(dá)到0.90，是由撞擊力占主導(dǎo)可變作用而產(chǎn)生的，對應(yīng)的組合方式為自重+撞擊力94+水流力14+機(jī)械荷載23+堆載26。其原因主要是在低水位時(shí)撞擊力發(fā)生在最底層的鋼靠船構(gòu)件處，水平荷載只能通過鋼橫撐進(jìn)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(yīng)力集中在最底層的鋼橫撐與前排樁基的交點(diǎn)附近，結(jié)構(gòu)整體受力不協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)語

由于框架式碼頭結(jié)構(gòu)受力情況比較復(fù)雜，不同荷載工況對各構(gòu)件產(chǎn)生的影響不盡相同。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了基于ANSYS與MATLAB軟件對不同荷載工況進(jìn)行組合計(jì)算的方法步驟，該方法能夠準(zhǔn)確且高效地搜索出碼頭各構(gòu)件內(nèi)力的最不利荷載組合值、出現(xiàn)的單元編號以及其對應(yīng)的荷載組合方式，為進(jìn)一步優(yōu)化受力構(gòu)件尺寸以及結(jié)構(gòu)型式提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] JTS144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范[S].

[2] JTS167-2018，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].