Ansys有限元软件辅助分析高桩码头结构设计

1. 1码头的结构型式

码头按结构型式可分为重力式、板桩式、高桩式、混合式码头。

重力式码头(图1. 1)是靠自重(包括结构重量和结构范围内的填料重量)来抵抗

滑动和倾倒的，从这个角度说，自重越大越好，但是地基将承受很大的压力，使地基可

能丧失稳定性或产生过大的沉降。为此需要设置基础，通过它将外力传到较大的面积的

地基上或下卧硬土层上以减小地基应力，这种结构对地基的适应性比较差，主要是用于

地质情况较好的地基。

板桩式码头是靠打入土中的板桩来挡土的，这种结构会使板桩受到较大

的土压力。为了减小板桩的上部位移和跨中弯矩，上部一般用拉杆拉住，拉杆力传给后

面的锚旋结构。由于板桩是一较薄弱的构件，又承受较大的土压力，所以板桩式码头是

适用于挡土墙高不大的情况，一般在10米以下[}s}0

高桩码头主要由上部结构和桩基两部分组成。上部结构构成码头的地面，

并把桩基连成整体，直接承受作用在码头上的水平力和垂直力，并把它们传给桩基，桩

基再将这些力传给地基。由于海岸沿线的地质条件较差，一般都为软土地基，而高桩码

头适用于软土地基，因此高桩码头应用较广。

1. 2高桩码头的结构形式

高桩码头结构型式的是按上部结构区分的，主要包括混凝土承台式，无梁板式，梁

板式，框架式。

梁板式码头各个构件受力明确，可以采用预应力结构，提高了构件的抗裂性能。板

梁式码头的缺点是:构件的类型和数量多，施工较麻烦，上部结构底部轮廓形状复杂、

死角多，水气不易排除，构件中钢筋易锈蚀[}s}0

框架式码头整体性好，刚度大，但由于施工比较麻烦，造价也较高，在水位差不大

的港口中逐渐被梁板式码头所替代[}s70

无梁板式码头结构简单，施工迅速，造价也低。现行的无梁板式码头面板多采用普

通钢筋混凝土结构，而且靠船构件悬臂长，设计难度大，仅适用于水位差不大、集中荷

载较小的中小型码头[}s}0

承台式码头刚度大、整体性好，但自重大，需桩多，较适用于良好持力层不太深且

能打支承桩的地基[}s}0

1. 3结构分析理论

高桩码头传统的计算方法主要有弹性支撑连续梁法和柔性桩台法。本文主要应用有

限元理论，利用Ansys通用有限元分析软件对结构进行内力分析。

1.3.2有限元分析计算的基本思路和步骤

1有限元分析的基本思路

有限元理论处理问题的基本思路是将连续的求解区域离散为一组有限多个且按一

定方式相互连接在一起的单元组合体。利用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示

全求解域上待求的未知场函数，单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各

个结点上的数值和其插值函数来表达。从而将无限自由度体系转化为有限自由度体系。

故未知量求出之后，就可通过插值函数计算出单元内场函数的近似值，从而求出整个求

解域上的近似值。因此有限元法实质上是在计算模型上求解的一种近似的计算方法l2sl0

2有限元分析的基本步骤

C1)将连续体离散化，即将连续的求解区域离散化为由虚拟的线或面构成的有限

个单元的组合体，以模拟或逼近求解域[l2sl0

C2)假设单元由位于边界的结点相互连接在一起并以这些结点的位移为基本未知

量。

(3)利用节点未知量，选择一组插值函数唯一的定义单元体内的相应的物理量(位

移、应力、应变)，也就是选择单元模式[12s10大连理工大学硕士学位论文格式规范

(4)将各种类型荷载转化为只作用在结点上的等效荷载，建立结点荷载与基本未

知量之间的基本方程。

1.3.3应用有限元分析软件Ansys进行结构分析是的基本步骤

1建立结构模型定义单元类型，赋予单元实常数构成结构几何体，定义几何体材料

属性从而构成结构模型，对结构模型进行划分网格[2s] .

2施加载荷和边界条件，根据工程具体分析要求，等效简化边界约束，布置承受荷载

[2s].

3校验，求解，运行过程中通过参数效验，检查模型建立的准确性，及时进行修正

(2s] ,

4评价和分析结果，运行结果可以通过控制输出模式，根据需要得到各种有关的力学

性能参数、表格、图形、动画等各种形式表现输出，对计算结果进行分析评价[2s]0

1. 5研究目的和意义

综上所述，传统结构型式的高桩码头主要有以下几个缺点:

1、码头上部结构底轮廓复杂，有许多可以积聚盐雾潮湿空气的空间，耐久性差，

使用寿命短;

2,整体性差，排架的刚度虽大，是排架间的联系比较薄弱，不能充分发挥上部结

构的整体刚度;

3、水上施工工作量大; 大连理工大学硕士学位论文

4、现浇工作量大;

5、施工速度较慢。

针对以上问题，邱大洪院士提出了整体箱板式新型高桩码头的设计构思，并组织了

科研团队进行结构的设计和优化。

本课题应用有限元理论，借助于Ansys分析软件对此结构进行内力分析，根据计算

的内力结果对结构进行预应力配筋，而后在结构本身及施工上对此新型结构的优越性加

以阐述。

对于高桩码头结构型式将是一次重大的突破和创新，极大地改善高桩码头耐久性差

的问题，使结构的整体性，抗裂性能，承载性能都将得到改善，使高桩码头得到更广泛

的应用。

3. 2结构内力计算

3. 2. 1建立结构计算模型

本文采用ansys进行结构内力分析，按照其分析步骤，首先要进行建模。在Ansys

中提供了两种方法建立模型的方法:实体建模和直接生成模型。直接建模比较适用于小型

简单的模型，对于规模较大，外形较复杂的模型，实体建模比较方便，本模型尺寸较大，

内有孔洞，故采用实体建模1221。划分单元网格采用映射网个划分方式。

本结构的计算模型采用Solid45三维实体单元和Beam 188梁单元联合应用。对于上

部箱板结构采用Solid65单元划分网格，对于桩基础采用Baem 188单元划分网格。Solid

单元有X, Y, Z、三个方向的平移自由度，Beam单元除有X, Y, Z，三个方向的自由

度平移之外还有绕三个坐标轴的转角自由度。由于自由度的不同，在祸合之前连接结点

由于没有转角约束，所以连接方式为铰接，而实际的情况是上部箱板具有很大的刚度，

足以约束桩基的转角，所以要按刚接来计算，故要将两种单元的自由度在两种单元的连

接结点处进行自由度的祸合。

自由度的祸合主要有两种方法，一种是直接祸合，一种是约束方程。对于三维块体

单元与梁单元的祸合，用约束方程更适宜。约束方程的主要思路是梁单元绕某个坐标轴

的转角近似的等于两侧最近块体元结点垂直于该坐标轴的位移的差值。祸合后的模型如

图3. 1, 3. 2所示，划分网格后模型中块体元总数为29136个，梁单元总数为2160个。

本文只对位移计算做简要介绍。

3. 2. 2位移计算

根据《高桩码头设计与施工规范》(JTJ291-98)的要求，需要对码头水平位移进行

验算，按正常使用极限状态进行计算。

码头水平位移主要考虑船舶撞击力引起的变位，分别考虑当船舶靠泊和船舶系泊时

引起的位移:

由表中数据数据可以看出试验段结构的最大水平位移在l Omm左右，而原始结构经

计算水平位移在20mm左右，这是由于，上部结构的整体箱板体系的刚度远远大于传统

梁板体系的刚度，使结构的整体性和抗侧移刚度大大提高。

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