浅谈ROBOT在港口结构计算中的应用
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摘 要：有限元软件的开发和利用，促进了港口工程设计的现代化、国际化。本文以湛江京信东海电厂配套专用码头工程（15万吨级）为例，浅谈robot在工程中的应用及主要注意事项，供港口工程建设人员共同分析讨论。
关键词：ROBOT 有限元 结构 应用 注意事项
本工程为建设10万吨级码头1座，码头布置1个10万吨级散货（煤）泊位和1个重件泊位，码头长500m，宽32m，码头结构按照15万吨级预留。本工程水工建筑物的结构安全等级为Ⅱ级，设计使用期为50年。本次结构计算分别采用ROBOT和常规计算方法进行，并根据计算过程和结果进行对比。
3.码头型式及构造
泊位总长500m，宽32m，分10个结构段，结构段长度50.0m，排架间距为7.9m，每榀排架由7根φ1200钢管桩组成，包括4根直桩和3根叉桩（斜率为5：1）。两条轨道梁下面分别由2根φ1200钢管桩（叉桩）和一对φ1200钢管桩（一直一斜桩）支撑。
码头下横梁采用预制结构，下横梁高1.0m，宽2.20m。桩帽处的节点采用现浇。上横梁采用现浇结构，高2.0m，宽1.60m。中纵梁采用预制结构，宽0.6m（上部牛腿宽度为0.2m），预制部分的高度为1.95m。面板采用叠合板结构，预制部分厚度为0.25m，现浇部分厚度为0.15m。码头轨道梁采用预应力梁，梁高2.95m，梁宽1.3m。结合本工程码头设计高低水位与码头面的高差情况，设计采用两层系船柱，下层系船柱设在走道板上。
4.地质条件
本次计算采用的地质资料如表2所示。
5.主要设计荷载
5.1均布荷载
①码头面均布荷载：20kPa
②后方宽平台面均布荷载：20kPa
5.2装卸机械及运输机械荷载
①桥式抓斗卸船机：轨距26m，海侧轨中心线距码头前沿线3.0m，共4个支腿，每个支腿10个轮，基距17m，轮距1.2m，工作状态最大轮压700kN；两机之间最小轮距2m。
②25t轮胎吊并进行打支腿作业，Q25及载重量30t的平板车。
船舶荷载见表3、表4。
5.3.1常规计算方法计算结果
常规计算方法按手工分步计算，其计算结果如表5。
经组合计算，φ1200钢管桩的单桩承载力为6395kN，单桩抗拔力为3700kN。
构件内力计算：主码头横梁和纵梁的内力计算结果见表6。
5.3.2有限元软件ROBOT计算结果
见图1～图4。
5.3.3主要优点
①整体性强。有限元软件计算整体性较强，对于大型码头的计算来讲可以通过整体建模模拟整个码头的结构和受力情况，同时可以模拟运动荷载对整个码头的作用情况，对于结构复杂和受力复杂的码头来讲，有限元软件无疑是对结构设计工作的简化，提高工作效率，降低计算错误的概率。
②轨道梁挠度计算更加准确。原常规计算方法对轨道梁的挠度计算精度不够，不能考虑面板及其他方向梁的作用，往往计算值偏大大，通过加强配筋等方式减小挠度，给工程造成了不必要的浪费，有限元软件能够更好的结合各项作用，提供更精确的计算值，降低工程造价。
③温度应力计算更加准确。通过有限元软件可以明确结构的温度应力，对于以往大型混凝土工程温度应力计算困难的问题得到了有效解决，不仅可以根据温度应力的大小确定解决方法，同时可以根据温度应力集中的区域采取更具有针对性的措施，即提高了码头的安全性又降低了工程成本。
④变形计算更加准确。以往计算方法中对于变形计算内容缺失，变形缝的设置通常结合经验，通过有限元软件可以精确的计算码头变形尺寸，确定变形缝的尺度，可以有效解决以往工程中变形缝过早损坏的现象。
⑤自震周期及地震的计算更加准确。常规计算时地震的各项指标对于型式规则的码头来讲准确度尚可，但对于结构型式复杂和不对称的结构，其计算结果相差较大，而有限
元软件通过对结构材料的定义可以准确的计算结构的自震周期，结合当地地震情况可以准确的计算地震时对结构的影响，解决了高桩等型式码头地震计算流于形式的弊病。
⑥码头的各项特征值查询方便。通过有限元软件可以准确的查询码头的各项特征值，包括重心位置、构件的惯性矩、工程量等等，不仅降低了常规计算时经常出现的错误，尤其是工程量计算中出现的错误，同时大大提高了设计人员的工作效率，对于目前设计周期普遍较短的情况下，无疑是对工程质量的一个提升。
⑦可视化效果明显。通过有限元软件对结构建模，可以直观的反应各结构构造型式，避免了设计人员将三维实体平面化，施工人员将平面图纸三维化的转换误差，有限元模型作为一个中间载体降低了业主、设计人员以及施工人员的沟通成本，实现了三方的无缝对接。
⑧移动荷载计算更为简便。通过有限元可以有效定义移动荷载，包括移动荷载的数量、荷载间间距、荷载移动步长、荷载移动轨迹等等，常规计算中采用结构力学的方法进行计算，不仅计算难度大、耗费时间，容易出错，而且对于非直线的运动其荷载计算难度很大，给设计工作带来较大困难。同时，对于个别结构复杂的码头，移动荷载作用在何处将产生最大的内力，其常规计算方法无法计算，而通过有限元软件可很方便的解决以上难题。
⑨板切面应力的计算可提高结构耐久性。板切面应力的计算可以有效的计算板内应力情况，通过该计算结果设置钢筋数量和分布可以有效解决板内钢筋应力过大，避免钢筋徐变的发生，提高面板的耐久性，解决以往高桩码头面板开裂，维修不便等情况。5.3.4注意事项
①应力集中。计算过程中要注意桩与梁连接处的应力集中问题，桩作为一个线单元在有限元的计算当中被视为一条线，对于实际工程中的桩有一定的偏差，所以在建立模型时要合理设置桩与梁的连接方式，避免应力集中的出现。
②桩基计算与手工计算的结合。桩基的计算需要结合手工计算完成，通过对土体抗力的计算，采用弹簧系数法或者嵌固点法对土体进行模拟，桩的垂直承载力部分目前必须通过手工计算完成。
③土体模拟仍不完善。目前有限元软件对于土体的模拟仍存在一定的困难，主要问题在于土体为一个松散体，同时土体的弹、塑性的临界点问题仍值得研究和商榷，如何利用有限元软件准确的反映出土体的特性仍需要有限元软件和土力学的进一步发展、完善以及两者的相互结合。
有限元软件的发展促进了港口设计行业的进步，而且是革命性的，无论从实用性、效果、工作效率、准确度等方面都使得港口设计行业有了较大的提升，解决了大量以往无法解决的问题，相信随着有限元软件的进一步发展，必定促进港口设计行业的再一次腾飞。
参考文献：
[1]高桩码头设计与施工规范.（JTS167-1-2010）.
[2]港口工程桩基规范.（JTS167-4-2012）.
[3]水运工程混凝土结构设计规范.（JTS151-2011）.
[4]建筑桩基技术规范.（JGJ94-2008）.