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均布荷载作用下高桩无梁板式码头上部面板的受力分析

崔川川赵雁飞马旭

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津）

摘要：为分析研究均布荷载作用下高桩无梁板式码头上部面板的受力情况，结合实际工程项目，介绍传统计算理论和有限元软件的数模方法，采用ROBOT软件分别建立板壳模型和实体模型，并总结2种建模方式的优缺点，最终对比分析以上3种方法的计算结果。结论：建议在工程设计中采用有限元法并结合实体模型进行核算，以保证设计的可靠性。

关键词：无梁板式码头；ROBOT软件；板壳模型；实体模型

高桩无梁板式码头上部结构由预制大板、靠船构件和桩帽组成，该种码头具有构件数量少、结构简单、施工速度快等优点，适用于施工水位高、码头上部结构高度受到限制的地区，也曾广泛应用于港口及海洋工程中。[1]但这一结构为空间结构，无梁板为双向受力构件，内力计算较为复杂。传统的替代框架法是一种简化计算方法，其结果与结构实际受力状态相差较大。随着计算机技术发展，采用有限元分析软件对结构进行空间计算变得越来越方便。ROBOT是世界上最通用的结构设计和计算软件之一，具备一流的前后处理功能，同时它还有很多专门针对水工方面的特殊功能和优点，这使得一些本来比较复杂、处理起来也相对麻烦的问题变得容易解决，目前在欧美的混凝土和钢结构设计领域应用十分广泛。许多世界著名的体育场馆和桥梁以及其他大型建筑都是使用该软件进行设计分析。近几年，在我国ROBOT软件业得到了广泛应用。[2]本文选取国外某无梁板式码头工程的一个结构段作为实例，分别采用传统理论计算方法和ROBOT板壳结构、实体结构数值模拟三种方法对均布荷载作用下高桩无梁板式码头上部面板的受力进行对比，提出建议，希望能为无梁板式码头的设计提供有价值的参考。

沙特延布工业港区某杂货码头，主力设计船型为吨级杂货船，码头前沿设计水深-8.5m，结构采用高桩无梁板结构，单个结构段长22m，宽22m。桩基为mm×mm预制预应力混凝土（C50）空心方桩，全部为直桩，桩基最小受弯长度为10m，横、纵向桩距均为4.0m，桩帽宽1.0m，上部混凝土板（C35）厚0.6m，均布荷载标准值为50KPa。

传统的计算方法主要是替代框架法，根据《高桩码头设计与施工规范》（JTS-1—）（以下简称“规范”），将面板划分成互相垂直的纵向板带和横向板带，连同基桩一起作为独立的纵向排架和横向排架分别进行计算[3]。然后根据桩基布置情况转化为平面问题。计算面板配筋时，再分为桩上板带和跨中板带两部分，弯矩分配如下：

（1）支座弯矩。桩上板带75%，跨中板带25%。

（2）跨中弯矩。桩上板带55%，跨中板带45%。

另外，均布荷载时，支座弯矩和跨中弯矩需分别乘以经验折减系数0.7。

根据“规范”第5.0.4条，本工程桩顶按铰接计算。根据“规范”第4.3.4条，本工程支座的相对刚性系数和相对宽度满足按点支撑的连续梁计算的条件。考虑桩帽对跨度的影响，对计算出的支座和跨中的弯矩值进行折减，再分别分配至桩上板带和跨中板带。由于本工程横、纵向板带计算边界条件相同，故只对其中一个方向的结果进行讨论，计算结果见表1。

3.1板壳结构建模方法

板壳结构建模的思想是用梁单元生成三维结构的一维理想化的数学模型[4]，将桩基看作是杆件体系，ROBOT模型中提供了多种常用的截面形状梁截面库供用户选择。根据高桩无梁板式码头的特点，先定义梁单元建立桩基，再定义一个壳单元作为面板。板壳结构模型见图1，50KPa均布荷载作用下面板的弯矩计算结果见图2。由于模型本身没有考虑支座宽度的影响，计算结果支座处节点弯矩峰值极大，最大值可达.48kN·m/m，对数据的处理方式上采用去掉支座节点的峰值，再依据“规范”公式对模型计算的弯矩值进行人为折减的方法。

3.2实体结构建模方法

实体建模是通过描述模型的几何边界，控制网格的大小和形状，从而生成模型的方式。实体模型能够真实地体现无梁板码头各部分的特征，描述桩基、桩帽等构件。但实体结构需要建立大量的关键点、线、面、体单元，占用大量的CPU处理时间，构件间接触和连接的处理也较复杂。首先利用ROBOT提供的工具创建实体对象，再进行网格划分，自上而下建立模型。实体结构模型见图3，50KPa均布荷载作用下面板的正应力计算结果见图4，与板壳结构建模方法相比，正应力在支座处的结果过度要平缓得多。

为了验证两种模型计算方法的可靠性，分别提取板壳模型中支座弯矩、跨中弯矩最大位置处的计算结果和同一位置实体结构上表面的结果，转化为单延米弯矩值，三种方法计算结果的对比见图5和图6。

综合分析以上结果，三种计算方法对均布荷载作用下无梁板式码头上部面板受力状态的描述基本一致。板壳模型结果在考虑了支座宽度的影响折减后，板带的支座弯矩和跨中弯矩与替代框架法结果相比，非常相近，在桩上板带和跨中板带的分配也基本相同，但由于板壳模型不能考虑面板厚度的影响，导致面板弯矩分布很不均匀，局部最大和最小弯矩值分别大于和小于传统计算结果。实体模型结果与替代框架法结果相比，支座弯矩略小，跨中弯矩略大，这是由于实体模型考虑了桩帽宽度的影响，其结果理论上应更接近实际情况。

本文介绍了针对均布荷载作用下无梁板式码头上部结构内力分析时，所采用的传统理论计算方法和ROBOT板壳模型、实体模型数值模拟方法的要点。两种数值模拟方法计算都能比较直观地反映整个无梁板码头结构在均布荷载作用下的内力情况，计算的面板内力值与规范推荐的传统理论方法求得的内力值基本相同。建议工程设计中有条件的情况下采用有限元法，并采用实体模型进行核算，以保证设计的可靠性。板壳模型与实体模型相比，可以使用较少的节点数和单元数，节省CPU的使用，也可采用此种方法简化建模计算，但需考虑支座宽度对结果的影响。

参考文献

刘克玲,周锡礽.无梁板桩基结构的数值分析及程序[J].港口工程,(4):35-40.

李勇.ROBOT软件在特种结构的应用[J].城市道桥与防洪,(5):-.

JTS-1—高桩码头设计与施工规范[S].

李王红,何良德.两种ANSYS有限元模型在高桩码头计算中的对比研究[J].现代交通技术，,4(5)4-86.