第11卷2011年第12期12月中国水运ChinaWaterTransportVol.12
DecemberNo.11
2011
某滚装码头空间有限元结构分析研究
钟小帅
1，2
，胡雄飞，王勤振
23
（1河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2海军南海工程设计院，广东湛江524000；
3中交水运规划设计院南京分院，江苏南京210098）
摘
要：利用ANSYS有限元结构分析软件对某滚装码头进行空间有限元结构分析研究，依据《高桩码头设计与施
工规范（JTS167-1-2010）》中的相关规定进行有限元建模。结果表明，计算结果可作为相关构件的设计校核控制值，采用空间结构计算方法较以往计算更为合理，可清楚地得到各个构件的受力和相互作用情况，进而对高桩码头结构进行设计优化，提高结构设计的安全性、经济性、合理性。关键词：高桩码头；规范；有限元；结构分析中图分类号：U656.113
文献标识码：A
文章编号：1006-7973（2011）12-0081-03
6.00
设计高水位3.96设计低水位0.47
2.10
1.10
DH300×L1500型橡胶护舷
1:101.40
2.00
2.60
3.20
3.80
2010年6月2日我国交通运输部发布《高桩码头设计与施工规范（JTS167-1-2010）》，规定新规范自2010年9月1日起施行，原规范同时废止。在拿到新规范后，笔者对
其进行了深入学习，其中关于高桩码头按空间结构计算的新
1.101:6
-2.50
规定引起了笔者的重视，其相关条文如下：4.3.12码头按空间结构计算时，可按下列方法建立计算模型。4.3.12.1以计算桩的内力为目的时，面板可按薄壳单元考虑，纵梁、横梁及桩均可按梁单元考虑。4.3.12.2以计算纵梁和横梁的内力为目的时，宜忽略面板的作用，按空间杆系结构计算，有经验时也可考虑面板的作用。4.3.12.3桩端约束条件可参照平面排架计算要求确定。4.3.12.4面板中性面、纵梁和横梁中性轴宜按实际高程考虑[1]。
对于高桩码头，其一般简化为纵向和横向两个方向的平面问题进行结构受力计算。此方法虽然较为简便，但高桩码头作为一个空间整体结构，按空间状态进行受力分析应更为合理。本文将依据新规范中的相关规定，采用通用有限元结构分析软件ANSYS以某滚装码头工程为实例，对高桩码头进行空间有限元结构分析研究。
一、码头概况
极端高水位6.36设计高水位3.96
2.40
设计低水位0.47极端低水位-0.43
1.20-2.50
150KN系船柱
设计高水位3.9.50
2.40设计低水位0.47
-2.50
设计高水位3.963.30设计低水位0.47
1.20-2.50
-24.15
6800
6800
6000
6000
6000
6000
6000
图2
1.921:6
码头断面图一
1:102.60
3.20
3.80
6.003.80
DH300×L1500型橡胶护舷
-24.15
6800
6800
6000
6000
6000
6000
6000
图3
1:10
3.12
码头断面图二
6.00
3.80
3.80
DH300×L1500型橡胶护舷
1:6
0
1:1
6.00
01:1
DH300×L1500型橡胶护舷
-24.15
6800
6800
6000
6000
6000
6000
6000
图4码头断面图三
某滚装码头为高桩梁板式结构，三级坡道码头每级宽度
泥面
12m，结构，总宽36.04m，长46m。桩基采用600×600-φ300预应力混凝土空心方桩，共78根。设计高水位3.96m，设计低水位0.47m，极端高水位6.36m，极端低水位-0.43m。每级坡道码头共8个横向排架，排架间距为6m、6.2m，标准排架每个排架共设方桩3条，每级坡道设两对叉桩。横梁宽1.2m，高2.15m，纵梁宽0.5m，高1.15m，面板厚度为0.3m。码头立面图如图1，码头断面图如图2、图3、图4所示。
二、有限元模型的建立1．单元选取
1200480048002400480048002400480048001200
预应力钢筋砼方桩
600X600-φ300
-23.55
-23.75
-23.85
图1码头立面图
收稿日期：2011-10-15
作者简介：钟小帅（1981-），男，硕士研究生，工程师，主要从事港口航道及近海工程研究。
82中国水运第11卷
根据《ANSYS工程结构数值分析》可知，有限元模型单元的选择一般考虑4个原则：实际结构或构件的力学行为与单元的力学行为相符；以线单元、板壳单元、实体单元为序，优先选择前者；在保证计算精度的前提下，可选择低阶单元；在同类单元中，优先选择建模方便者。从理论上讲，实体单元能够模拟各种结构的力学行为。但是，对于实际土木工程结构，不可能也不必要全部采用实体单元进行模拟。因为，此时有限元模型十分庞大，求解将非常困难，甚至无法求解。从建模、求解到结果评价等工作效率考虑，在保证一定精度的前提下，采用的单元维数越低越好。因此，在土木结构建模过程中，一般优先选择梁杆单元，其次是板壳单元，最后是实体单元。当低维单元达不到目的时，才选择高维单元[2]。根据新规范和以上原则，本文建模将选择BEAM188梁单元模拟纵横梁和桩构件，选择SHELL181壳单元模拟面板构件。BEAM188单元基于Timo-shenko梁的理论，采用相对自由度原理，考虑了剪切变形的影响，挠度和截面转动各自插值，但仍假设中面的法线变形后仍保持直线（不一定仍与中面垂直），这类单元本质上就是实体单元。BEAM188单元适合分析从细长到中等粗细的梁结构。实际工程中常常碰到特殊截面形式，BEAM188单元有多种截面可以选取，因此对于高桩码头中的桩基和纵横梁，此单元非常适合。SHELL181单元适于分析薄至中等厚度的壳形结构。它是每个节点具有6个自由度的4节点单元。SHELL181单元非常适用于线性、大转角和大应变非线性的应用，计算变厚度壳单元应用非线性分析。在单元范围内支持完全和减缩的积分方法。SHELL181壳单元计及压力分布引起的（载荷刚度）影响，此单元也非常适合模拟码头面板结构[4]。
2．模型参数确定
材料参数：基桩为C50预应力钢筋混凝土方桩，弹性模量、泊松比和密度分别取3.45×104MPa、0.167和2,500kg/m3。纵横梁和面板均为C45钢筋混凝土结构，弹性模量、泊松比和密度分别取3.35×104MPa、0.167和2,500kg/m3。
荷载参数：码头面荷载取均布荷载5KN/m2和汽-20t移动荷载，船舶撞击力取450KN集中力，船舶系缆力等效为Nx=176KN、Ny=102KN、Nz=55KN，永久荷载（结构自重）由ANSYS有限元软件根据构件体积和密度自动计算。
桩长的确定：根据新规范，桩长采用《港口工程桩基规范》[2]
中的m法进行计算，即弹性长桩的受弯嵌固点以上为模型中桩长，嵌固点采用固端约束，经计算，本文算例条件下嵌固点距离泥面深度5.4m。
3．有限元模型的建立
码头构件接头通常的处理方法为，预制桩顶端钢筋伸入下横梁混凝土内，长度达到锚固要求，下横梁混凝土在现场浇筑，预制纵梁支撑在下横梁上，预制纵梁主筋焊接，负弯矩钢筋通长布置，预制面板搁置在纵横梁上，预制面板接头钢筋绑扎或者焊接，面板上部钢筋现场整体布设，上横梁、纵梁和面板上部混凝土现场浇筑，是高桩码头各部分构件良好的连接起来，形成一个空间整体结构。
根据码头各构件实际的相互联系和作用情况，本文在建
模过程中采用自下而上的建模方式，基桩与下横梁、纵梁与横梁、面板与纵横梁的连接均采用固接，板由纵横梁支撑。在建模过程中也按实际情况考虑了纵横梁和面板中性轴的高程，对梁单元和壳单元进行了截面偏置，模型中桩按0.5m、纵横梁按0.1m、面板按0.2m尺寸进行网格划分，模型最终建立如图5、图6所示。
1
ELEMENTS
SEP
92011
11:02:42
YZ
X
图5
空间有限元实体模型一
1
ELEMENTS
SEP
92011
11:39:28
YZ
X
图6空间有限元实体模型二
三、结构计算与分析
本算例将选取两种工况进行结构计算与分析，工况一：永久荷载、汽-20t、船舶撞击力；工况二：永久荷载、汽-20t、船舶系缆力。
1．桩内力计算
根据新规范4.3.12.1条，以计算桩的内力为目的时，面板可按薄壳单元考虑，纵梁、横梁及桩均可按梁单元考虑。故采用空间有限元模型一对桩内力进行受力计算，桩最大弯矩、最大轴力云图如图7、图8所示。
1
LINESTRESSOCT132011
STEP=110:08:04
SUB=1
TIME=1
MYIMYJMIN=-78856ELEM=16092MAX=84309ELEM=16047
YZ
X
-78856
-42597
-6338
29921
66179
-60726
-24468
11791
48050
84309
图7桩最大弯矩云图（单位：Nm）
第12期
钟小帅等：某滚装码头空间有限元结构分析研究
83
1
LINESTRESSOCT132011
SUB=110:02:12
TIME=1FXIFXJ
MIN=-.137E+07ELEM=94288MAX=-201952ELEM=6
99
YZ
X
-.137E+07
-.124E+07
-.111E+07
-981169
-851300
-721430
-591561
-461691
-331822
-201952
图8桩最大轴力云图（单位：N）
2．纵横梁内力计算
根据新规范4.3.12.2条，以计算纵梁和横梁的内力为目的时，宜忽略面板的作用，按空间杆系结构计算，有经验时也可考虑面板的作用。故采用空间有限元模型二对纵横梁进行受力计算，最大弯矩、剪力云图如图9~图12所示。
1
LINESTRESSOCT132011
STEP=1
SUB=109:26:54
TIME=1MYIMYJMIN=-413651ELEM=976MAX=596604ELEM=947
-413651
-1150
35351
259852
484353
-301401
-76900
147601
372103
596604
图9横梁最大弯矩云图（单位：Nm）
1
LINESTRESSSTEP=1
OCT132011
11:31:12
SUB=1TIME=1SFZISFZJMIN=-437027ELEM=947MAX=504828ELEM=9
46
-437027
-227726
-18425
190876
400177
-332377
-123075
86226
295527
504828
图10
横梁最大剪力云图（单位：N）
1
LINESTRESSSTEP=1
OCT132011
09:38:37
SUB=1TIME=1MYIMYJMIN=-200468ELEM=103094MAX=317735ELEM=102686
-200468
-85312
29844
145000
260156
-1420
-27734
87422
202578
317735
图11纵梁最大弯矩云图（单位：Nm）
1
LINESTRESSOCT172011
STEP=1
15:37:45
SUB=1TIME=1SFZISFZJMIN=-1168ELEM=101374MAX=197396ELEM=101373
YZ
X
-1168
-103265
-17362
68541
154444
-146216
-60313
25590
111493
197396
图12纵梁最大剪力云图（单位：N）
两种工况条件下，纵横梁弯矩、剪力值，桩弯矩、轴力值见表1、表2。
表1
两种工况下各部分结构弯矩值（单位：KNm）
取值对象工况一
工况二
MmaxMminMmaxM
min
横梁
413.7-596.6298.6-476.1MmaxMminMmaxM
min
纵梁
159.6-293.9241.7-253.6MmaxMminMmaxM
min
桩
78.8
-84.3
57.7
-63.5
表2两种工况下各部分结构剪力、轴力值（单位：KN）
取值对象
工况一工况二
Smax
SminSmaxSmin横梁
504.8-437.1494.2-458.7Smax
SminSmaxSmin纵梁
183.8-169.5197.4-1.2Fmax
FminFmaxF
min
桩
1370
202
1010
457
3．计算结果分析及研究
（1）分析表1可知，工况一条件下横梁最大正弯矩值为413.7KNm，最大负弯矩值为-596.6KN
m。工况二
条件下横梁最大正弯矩值为298.6KNm，最大负弯矩值为-476.1KNm。应采用工况一横梁弯矩值作为横梁正负弯矩钢筋的配筋设计控制值。对于纵梁，对比工况一、工况二，最大正弯矩值为241.7KN
m，最大负弯矩值为-293.9
KNm，应采用这两个极值作为纵梁正负弯矩钢筋的配筋设
计控制值。桩的最大弯矩绝对值为84.3KNm，应采用此
值作为桩的配筋设计控制值；
（2）分析表2可知，对比工况一与工况二，横梁最大剪力绝对值为504.8KN，纵梁最大剪力绝对值为197.4KN，应采用以上极值作为纵横梁的抗剪钢筋设计控制值。桩的最大轴力值为1,370KN，应选取此值对桩承载力进行设计校核；
（3）采用空间有限元结构分析时，各荷载值应按《港口工程荷载规范》的相关规定，乘以相应的分项系数值后作为参数输入值，这样得出的计算结果，才能与现行规范吻合；
（4）采用空间有限元结构分析后，可以清楚地得知在各种工况条件下群桩的受力情况，能够根据结果有效合理的布
置桩基，尤其是叉桩的布置，原初步设计计划布置3对叉桩，
现采用2对叉桩即可满足抗扭要求。
（下转第130页）
130中国水运第11卷
任，层层落实责任制，并加强监督和检查。按照水利规范和技术要求，出现质量问题，不管当事人发生什么变化，都要追究责任，即工程质量终身制。彻底解决工程当事人不管工程质量如何，出现问题一走了之的弊端，使工程人员真正负起责来。
3．加强进场材料及设备的质量控制
所有运到施工现场的材料，进场之前都要提交《建筑材料报验单》，还有材料的出厂规格和技术说明书。施工承包单位按照规定要求进行审查或者试验报告，检验合格之后才可以进入现场使用。材料不同多要求的存放条件也是不同的。因此，还要查看材料的存放条件，加强控制。
4．严格技术管理
技术管理包括技术责任制、施工日记、图纸会审、技术交底、技术复核、材料检验、技术档案、工程验收等制度。①技术责任制：每个工程技术人员都要明确自己的职责，各司其职，便于做好各自分工的技术工作；②施工日记：在施工工程中，施工人员必须把每天的工作情况，都记录清楚，并且要完整的保存下来。这也是竣工验收和质量评定的依据；③图纸会审：可以减少施工过程中的误差甚至错误。施工工程中，就是发现问题，也可以及时的进行改正。不延误工期，达到工程质量的要求。④技术交底：使参加工程的所有施工人员，都能够全面了解工程的特性，还有施工要求，做到了然于胸；⑤技术复核：施工中的每项技术都要由专业的人士进行审查，避免造成人为的工程质量事故；⑥材料检验：施工现场使用的各种材料，需要依据设计要求，经过严格审查，保证施工质量；⑦技术档案：工程施工到竣工，运用到的技术，材料，及其相关的事宜都要记录在案，为了能够系统的系统的积累施工经验、资料的需要。技术档案要有专人保管，不得擅自修改；⑧工程验收：在每一个工程的各部位单项，尤其是隐蔽工程，完成一项验收一项，（上接第83页）
原设计计划两对叉桩同向布置，现根据
受力情况变更为两对叉桩交叉布置，这样能够增加码头整体空间的抗扭能力，从而减小梁系的弯矩和剪力，减小配筋设计控制值，降低工程造价；
（5）采用空间有限元结构分析后，发现船舶撞击力对梁系的结构受力影响较大。而对于丁式滚装码头，船舶一般不会直接撞击码头，橡胶护舷主要作用为保护码头前沿，因此可不选用反力较大的橡胶护舷，本工程选用D300×L1500型护舷即可满足实际要求；
（6）采用空间有限元结构分析后，根据码头各构件的受力状况，将三级坡道码头变更设计为结构段宽度为12m的三个结构段（原初步设计为变截面横梁，一个结构段），有效地减小了高级坡道码头的横梁高度，使施工更为简便，同时减低了工程造价，优化了桩基布置，提高了结构设计的安全性、经济性、合理性。
四、结论
本文采用通用有限元结构分析软件ANSYS，以某高桩梁板式滚装码头为实例，参照最新颁布《高桩码头设计与施工规范（JTS167-1-2010）》中的相关要求，建立了计算码头的空间有限元模型，并对纵横梁和桩基进行了结构受力计
算（因新规范未规定面板的空间计算依据，故本文未对面板
验收合格后方可进行下一道工序或部位的施工。同时，也为竣工验收提供完整的技术资料。
5．发挥监理工程师作用
监理工程师的质量控制体系是建立在施工承包商的质量保证体系上的。后者是基础，没有一个健全的、运转良好的施工质量保证体系，监理工程师很难发挥作用。因此，监理工程师质量控制的首要任务就是在开工令发布之前，检查施工承包商是否有一个健全的质量保证体系，没有肯定答复，不签发开工令。监理工程师的职能是指导、监督和检查。“指导”是向承包商提出应如何去建立和健全质量保证体系；“监督”是在实施过程中考查其质量保证体系的运行情况，制止一切违规行为；“检查”是对运行结果进行考核，包括各工序、阶段的检查、验收和质量评定工作。如果让监理去代替施工技术员、质检员，不仅是力不从心，而且责任不清，其结果必然使施工企业的质量保证体系弱化，甚至逐步放弃，从而使整个质量体系处于混乱状态。
本文结合多年的实践经验，论述了水利工程质量管理的内容，分析了影响水利工程施工质量的主要因素，提出了提高水利工程质量的措施。
参考文献
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电站设计，2004（02）.
[4]何明，李冠华.浅谈水利工程施工管理[J].水利天地，2004
（06）.
进行受力计算）。结果表明：
（1）采用空间有限元结构分析方法计算得到的纵横梁弯矩、剪力，桩剪力、轴力值可作为相关构件的设计校核控制值；（2）采用空间有限元结构分析方法对高桩梁板式码头进行受力计算较以往计算方法更为合理，并能清楚地得到各个构件的受力和相互作用情况，进而对结构进行设计优化，提高结构设计的安全性、经济性、合理性。
参考文献
[1]JTS167-1-2010，高桩码头设计与施工规范[S].[2]JTJ250-1998，港口工程桩基规范[S].[3]JTS144-1-2010，港口工程荷载规范[S].
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