基于有限元的親水平臺(tái)設(shè)計(jì)

王璐璐

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

親水平臺(tái)是向人群提供親水休閑功能的一種特殊建筑物，其出發(fā)點(diǎn)就是在保證結(jié)構(gòu)安全前提下充分體現(xiàn)親水功能，展現(xiàn)人文平臺(tái)與自然景觀的完美融合。目前，親水平臺(tái)并沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，設(shè)計(jì)荷載不僅需滿足碼頭等水工建筑物的臨時(shí)靠泊功能，更需滿足各種景觀荷載。本文結(jié)合上海某親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)ROBOT 數(shù)值模擬對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行計(jì)算，研究結(jié)構(gòu)在臨時(shí)系靠泊及復(fù)雜景觀荷載條件下的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 工程概況

親水平臺(tái)計(jì)算分段長(zhǎng)400 m，寬20 m，排架間距為6 m，每榀排架設(shè)有6 根Φ800 鋼管樁，其中斜樁1 對(duì)，上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、縱梁、疊合面板等組成。親水平臺(tái)面前沿設(shè)置550 kN 系船柱，前沿靠船構(gòu)件布置DA-B800H 低反力型橡膠護(hù)舷。圖1 為親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)斷面圖。

圖1 親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)斷面（單位：mm）

2 有限元計(jì)算模型

2.1 ROBOT 軟件功能簡(jiǎn)介

ROBOT 是用于結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件，其網(wǎng)格劃分算法和內(nèi)孔識(shí)別算法為工程師提供了易于使用且功能強(qiáng)大的有限元前處理方法。這些功能完全是通過(guò)用戶熟識(shí)的圖形化窗口界面呈現(xiàn)在用戶面前的，可以解決工程中的結(jié)構(gòu)靜力分析、動(dòng)力分析、非線性分析、屈服分析、彈性地基板、多種材料組合截面、拉索結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。

ROBOT 有非常強(qiáng)大的后處理功能，為計(jì)算結(jié)果整理提供了方便，計(jì)算報(bào)告完全可以按用戶要求進(jìn)行組合編輯，并隨模型的修改而實(shí)時(shí)變化。ROBOT還可以應(yīng)用先進(jìn)的篩選技術(shù)，能迅速準(zhǔn)確地查看相關(guān)結(jié)果，如極限值、包絡(luò)值及指定結(jié)構(gòu)單元尺寸、材料等[1，2]。

2.2 有限元模型建立

取親水平臺(tái)一個(gè)結(jié)構(gòu)段62 m 為研究對(duì)象，建模并根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸和材料計(jì)算。現(xiàn)澆橫梁、縱梁、前邊梁、后邊梁及面板采用C40 混凝土，彈性模量為30.0 GPa，泊松0.167，密度為2.5 t/m3；鋼管樁、鋼管系靠船梁及鋼靠船構(gòu)件采用Q235 鋼彈性模量為2.06 GPa，泊松比0.3，密度為7.85 t/m3。

鋼管樁、靠船構(gòu)件、現(xiàn)澆橫梁、縱梁、前邊梁、后邊梁均采用梁?jiǎn)卧＃姘宀捎脷卧?。整個(gè)親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)分為梁?jiǎn)卧蜌卧獌蓚€(gè)部分。親水平臺(tái)樁基按摩擦樁考慮，由于梁?jiǎn)卧鞴?jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，故在樁基嵌固點(diǎn)設(shè)置UX、UY、RX、RY、RZ 向固定支座約束，UZ 向設(shè)置彈性支座約束。UZ向支座彈性系數(shù)即樁的軸向剛性系數(shù)，根據(jù)鋼管樁的截面尺寸、彈性模量及本工程單樁垂直極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按JTS 167-1-2010《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》計(jì)算得708 500 kN/m。有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型

3 荷載施加

ROBOT 可以將每種荷載工況的標(biāo)準(zhǔn)值施加到模型中，計(jì)算出每種工況下的作用效應(yīng)值，然后對(duì)荷載作用效應(yīng)進(jìn)行組合，提取控制性的荷載工況組合。

3.1 荷載資料

（1）施工荷載：20 kN/m2；

（2）樹(shù)池碼頭面：60 kN/m2（親水平臺(tái)后部10 m）；

（3）人群荷載：10 kN/m2；

（4）景觀鋪裝荷載：10 kN/m2（親水平臺(tái)前部10 m）；

（5）使用期集中荷載：

a. 系纜力：前后沿分別有550 kN 雙柱系船柱。

b. 靠船力：1 000 kN/榀（采用拱形500 H×2000 L標(biāo)準(zhǔn)反力橡膠護(hù)舷，豎向二根，撞擊能量144 kJ，考慮低水位靠泊需要，豎向設(shè)拱形橡膠護(hù)弦TD-B600HX2000 L+2300 L，拱形橡膠護(hù)弦TDB600HX2500 L+2800 L）。

3.2 荷載系數(shù)

計(jì)算荷載系數(shù)分為施工期和使用期，具體參數(shù)見(jiàn)表1 和表2。

表1 施工期荷載

表2 使用期荷載

3.3 荷載組合

計(jì)算組合分為施工期和使用期，具體組合見(jiàn)表3和表4。

表3 施工期組合

表4 使用期組合

4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的荷載組合，將各工況荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值按JTS 167-1—2010《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》第3.2 節(jié)規(guī)定進(jìn)行組合，分析親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)在船舶荷載和景觀荷載作用下內(nèi)力特性。

4.1 親水平臺(tái)橫梁內(nèi)力計(jì)算

對(duì)于親水平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要分別計(jì)算承載能力極限狀態(tài)持久組合和正常使用極限狀態(tài)持久組合。承載能力極限狀態(tài)持久組合工況下，最大正彎矩（橫梁下部）1 363.31 kN·m，最大負(fù)彎矩（橫梁上部）1 391.23 kN·m；正常使用極限狀態(tài)持久組合工況下，最大正彎矩（橫梁下部）641.19 kN·m，最大負(fù)彎矩（橫梁上部）909.26 kN·m（見(jiàn)圖3）。承載能力極限狀態(tài)持久組合工況下，最大剪力為1 017.33 kN。正彎矩、負(fù)彎矩和剪力最大值都在船舶撞擊力產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)橫梁上（見(jiàn)圖4）。

圖3 親水平臺(tái)橫梁彎矩計(jì)算結(jié)果

圖4 親水平臺(tái)橫梁剪力計(jì)算結(jié)果

4.2 樁基內(nèi)力分析

為方便分析，定義模型中每個(gè)排架從親水平臺(tái)前沿起的第1 根樁為第1 排樁，依此排序至親水平臺(tái)后側(cè)第6 排樁。樁基內(nèi)力按承載能力極限狀態(tài)持久作用效應(yīng)的持久組合設(shè)計(jì)值計(jì)算；通過(guò)比較可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載工況組合，計(jì)算出親水平臺(tái)樁基內(nèi)力最不利的工況組合。

（1）軸力：第1，2 排樁基軸力很小，主要是因?yàn)檫@2 排樁上部荷載僅為10 kN/m2，后4 排樁基軸力較大，最大軸力出現(xiàn)在第二排排架第6 排樁，最大彎矩為3 342.71 kN，這主要是上部60 kN/m2荷載與船舶撞擊力的疊加作用造成（見(jiàn)圖5）。

圖5 親水平臺(tái)樁基軸力計(jì)算結(jié)果

（2）彎矩：第1～4 排樁基彎矩值小，第5 和第6排樁基彎矩較大，主要是因?yàn)楹笱刈矒袅κ褂H水平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向位移變形，后沿撞擊力通過(guò)親水平臺(tái)排架的分配傳遞過(guò)程，使親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)的變形體現(xiàn)在樁基的變形上。后沿第5 和第6 排為直樁，分配的水平撞擊力和變形較大，故第5 和第6 排樁基的彎矩值較大（見(jiàn)圖6）。

圖6 親水平臺(tái)樁基彎矩計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 論

結(jié)合工程實(shí)例對(duì)親水平臺(tái)臨時(shí)系靠泊及復(fù)雜工藝條件下進(jìn)行ROBOT 數(shù)值模擬，分析親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化特性，得出主要結(jié)論如下：

（1）采用ROBOT 數(shù)值模擬方法分析高樁親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力性能是可行的，能夠?qū)⒏邩队H水平臺(tái)結(jié)構(gòu)同時(shí)承受的復(fù)雜荷載分成單一荷載，并對(duì)各單一荷載工況分別進(jìn)行計(jì)算，然后根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的荷載組合，將各工況荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行組合，通過(guò)比較求出最大值，其計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠，能夠用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)。

（2）親水平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要分別計(jì)算承載能力極限狀態(tài)持久組合和正常使用極限狀態(tài)持久組合。最大正彎矩和負(fù)彎矩都在船舶撞擊力產(chǎn)生的橫梁上。

（3）親水平臺(tái)樁基軸力：第1，2 排樁基軸力較小，最大軸力出現(xiàn)在第二排排架第6 排樁，這主要是上部荷載與船舶撞擊力的疊加作用造成。樁基彎矩：第1～4 排樁基彎矩值小，第5 和第6 排樁基彎矩較大，主要是因?yàn)楹笱刈矒袅κ褂H水平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向位移變形，后沿撞擊力通過(guò)親水平臺(tái)排架的分配傳遞過(guò)程，使親水平臺(tái)結(jié)構(gòu)的變形體現(xiàn)在樁基的變形上。