空间有限元模型和平面模型在高桩码头结构计算中的比较分析
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摘要：本文结合南通港如皋港区通用码头工程，对其高桩梁板式码头结构分别采用平面模型（易工水运工程设计软件）和空间有限元模型（ANSYS空间有限元分析软件）进行结构计算。本文提出的空间有限元计算思路及前、后处理方法对未来高桩梁板码头的设计有一定借鉴作用。
高桩码头是目前普遍采用的一种码头结构形式。目前，较为传统常规的高桩码头计算方法通常是将空间问题转化为纵向和横向两个平面问题进行计算。在传统算法中，码头结构的计算最终被简化成以横向排架为计算单元，求解排架内力的平面二维问题进行分析计算，这往往忽略了码头结构各构件空间位置及内力分布的相互影响。本文在运用易工水运设计软件对高桩梁板码头按平面排架进行传统计算的同时，运用了目前国内外应用较为广泛的ANSYS有限元计算软件进行空间有限元分析计算，通过对比分析不同工况下的结构内力计算结果，为高桩码头的空间有限元分析计算提供参考。
工程概况
南通港如皋港区通用码头工程采用栈桥式平面布置形式，长209m，宽35m。码头前沿配置3台门座起重机，轨距为16m，最大回转工作幅度均为35m。其中2台起重量为25t，1台起重量为40t。件杂货进出港水平运输采用牵引车+平板车，在后方堆场与码头之间进行，平板车载重分别为25t、40t。
码头采用高桩梁板结构，结构上分为4个结构段。码头排架间距7.5m，码头共有主排架30榀。基桩采用Φ1000mmPHC桩（B型），每榀排架布置7根桩（其中3根直桩和4根5：1斜桩），桩端持力层为粉质粘土夹粉土层。码头上部结构由横梁、纵向梁系、迭合面板、磨耗层和靠船构件组成，横梁及纵梁节点均现浇。码头前沿间隔设置二层带缆系统。
荷载参数
均布荷载。码头均载：30kN/m2。
流动机械。码头平台：20t、40t平板车，25t轮胎式起重机。
装卸设备荷载。40t-35m门机：轨距16.0m，基距16.0m，最大轮压300kN，行轮数32个，轮距0.765m；25t-35m门机：轨距16.0m，基距16.0m，最大轮压280kN，行轮数32个，轮距0.765m。
船舶荷载。船舶撞击力：根据5万吨级船舶有效撞击能量的计算结果，每一排架选用DA-A600H 标准反力型橡胶护舷，经计算，船舶撞击力为1236kN；船舶系缆力：按5万吨级船舶以九级风V=22m/s作为设计风速、以水流速度V=2.0m/s作为设计流速，经计算码头面选用1000 kN系船柱。
传统平面方法计算结果
传统算法计算采用易工水运工程设计软件，该程序依据最新港口工程技术规范开发，包含了荷载前处理、作用效应计算、截面承载力验算、单桩抗拉抗压极限承载力验算、碰桩验算等多个功能。在进行高桩梁板码头计算时，系统将空间结构按照横向排架为计算单元简化为平面杆系进行结构分析，进而求解出横梁及桩基础内力等结果。
采用易工软件计算码头各构件内力结果如下表：
ANSYS空间有限元计算
1、建模方法
采用梁板单元建模方法，将面板采用板壳（shell）单元进行模拟，纵横梁以及桩基础采用梁（beam）单元进行模拟。同时，对纵横梁的形心位置进行了偏移，并对不在同一高度的桩单元和横梁单元的刚性连接采取了约束方程法，使得纵横梁、面板、桩基的空间位置和实际特征得到了真实的反映。此方法可以获得和实体单元建模方法非常接近的计算结果，且计算时间大大缩短。本文重点对上部结构的内力进行分析计算，按照假想嵌固点法对桩基础进行固端约束处理，计算模型只考虑嵌固点以上部分的桩。
2、荷载及组合
通过平面算法的计算，可以发现起控制作用的荷载主要有永久荷载、散货荷载和门机荷载。这几种荷载在承载能力极限状态持久组合下的分项系数为：
永久荷载：γG=1.2；散货荷载γQ=1.5；门机荷载γQ=1.5。
施加永久荷载较为简单，只需在模型z方向添加一个重力加速度，具有密度属性的单元便会产生重力。
散货荷载施加时考虑了门机轨道梁两侧1.5m范围不堆货的情况先将荷载加在面上然后转化至有限元模型上。
门机荷载为移动荷载，其施加较为复杂。考虑到门机可能并机在轨道梁上滚动，对门机荷载进行了循环语句编写，滚动步长设为0.5m，通过循环语句控制，门机荷载在码头面上每移动0.5m软件就求解一次并将计算结果存入结果文件，通过后处理可获得门机荷载作用时各构件内力的最大值。
3、计算成果
分析平面算法计算结果分析发现，对构件内力最大值其控制作用的荷载为永久荷载、散货荷载和门机三种荷载。施加永久荷载、散货荷载及门机，门机荷载考虑两台门机并机运行，间距1.5m。计算时利用循环语句，将移动作用的门机荷载在码头面上沿两条轨道梁以0.5m步长移动。门机荷载每移动一次即求解一次，本荷载一共移动26次，计算完毕后将生成26个载荷步作用下的构件内力。为了方便比较，进行了如下三种工况的计算。
ANSYS有限元分析的计算结果如下表2：
从表中可以发现，横梁正弯矩设计值最大值出现在永久荷载+散货荷载这一荷载工况组合下，其余构件内力最大值均出现在永久荷载+散货荷载+门机荷载这一荷载工况组合下。
4、结果对比分析
比较ANSYS软件三种荷载工况结果发现，除了横梁最大正弯矩最大值出现在第一种荷载工况：永久荷载+散货荷载中，其余构件内力最大值均出现在第三种荷载工况：永久荷载+散货荷载+门机中，这与易工传统算法计算结果中构件内力最大值对应工况是完全一致的。
易工传统算法与ANSYS空间有限元计算结果构件内力最大值及荷载组合情况如表3所示。
结果显示，两种算法的桩力设计值、横梁剪力设计值比较接近，横梁、轨道梁的弯矩设计值ANSYS计算结果要小于易工传统算法计算结果。
结论
本文运用平面模型（易工软件）和空间有限元模型（ANSYS软件）分别对南通港如皋港区通用码头结构进行了计算分析，对比分析了不同工况下的结构内力计算结果：
根据对易工传统算法和ANSYS空间有限元计算结果的对比分析，在各设计荷载组合下，两者求得的桩基轴力计算结果两种算法非常一致，说明在处理竖向荷载作用下的桩力分配问题，传统平面算法和空间有限元算法差异不大。
对于横梁和轨道梁内力，易工平面算法是将门机荷载直接作用于轨道梁上，然后传递到横梁及桩基础上，ANSYS空间有限元算法则考虑到了面板及其他纵梁对门机荷载的分担作用，因而计算结果相对较小。
传统平面模型和空间模型各有优势，从目前实际工程应用看，平面模型因为作了简化处理，建模较方便，计算结果偏保守，使用较广泛；空间模型能较好地反映码头结构构件的实际受力情况，建模理论本身更为优化，但计算量一般较大，且在单元划分、边界条件设定、参数选取等方面对设计经验也有较高的要求。因此，建议在有条件情况下，分别采用两种模型作校核计算，综合分析取用，保证码头结构设计的优化和安全可靠。