CN102637230A

CN102637230A - 一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法

Info

Publication number: CN102637230A
Application number: CN2012101013955A
Authority: CN
Inventors: 陈振民; 杨锡鎏; 王婷婷; 何文钦; 卢永昌; 赵宏坚; 熊胜华; 何涛; 李宣文; 魏孔军; 陈继丹; 谢正坚; 何家俊
Original assignee: Beijing Zhongke Fulong Computer Technology Co Ltd; CCCC FHDI Engineering Co Ltd
Current assignee: Beijing Zhongke Fulong Computer Technology Co Ltd; CCCC FHDI Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-04-07
Filing date: 2012-04-07
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开了一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，属于有限元建模技术领域，其技术要点包括以下步骤：(1)提取码头桩、梁、面板构件的几何参数；(2)在计算机中采用有限元分析软件ANSYS建立码头桩、梁、面板构件的有限元模型；(3)对纵梁和横梁的横截面进行偏移；(4)选择每根桩的桩顶节点和与桩顶垂直距离最小的梁节点，耦合上述两个节点的不同自由度实现桩梁之间的不同连接处理，节点的自由度包括节点沿X、Y、Z三个方向移动的位移自由度和绕X轴、Y轴、Z轴旋转的转角自由度；本发明旨在提供一种既简便易用又接近实际的高桩梁板式码头空间有限元建模方法；用于高桩梁板式码头的空间结构计算。

Description

一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法

技术领域

本发明涉及一种有限元建模方法，更具体地说，尤其涉及一种用薄壳单元模拟码头面板，用梁单元模拟码头纵梁、横梁和桩，并考虑各结构构件实际空间位置和连接特征的高桩梁板式码头空间有限元建模方法。

背景技术

高桩梁板式码头的主体结构主要由面板、纵梁、横梁、桩帽、靠船构件和桩等结构构件组成，具有各构件受力明确合理、装配程度高、施工速度快等优点，适用于荷载较大且复杂的大型海港码头，在我国应用非常广泛。工程师在进行高桩梁板式码头结构设计时，需要根据码头的设计要求对将来码头投入使用后遇到的各种受力情况进行分析，计算码头各结构构件的内力，从而设计各结构构件的尺寸和钢筋的配置。

长期以来，为了简化计算，高桩梁板式码头的结构内力计算常把码头结构简化为纵向和横向两个平面进行分析，纵梁和横向排架内力按平面结构计算。但随着港口向深水化发展，高桩码头的跨度和梁板尺寸越来越大，桩基往往沿横梁和纵梁双向布置，码头的空间整体特征已越来越显著。过去把码头结构简化成平面结构计算的方法，实际上忽略了码头各结构构件在空间上的相互影响和整体效应，其计算结果并不太准确，这给当今复杂的高桩梁板式码头结构设计带来了一定的风险。因此，急需一种充分考虑高桩梁板式码头空间整体特征的空间结构计算方法。

有限元法是大型复杂结构或多自由度体系分析的一种现代计算方法，随着计算机技术的高速发展和普及，人们开始尝试采用实体单元或梁壳单元建立高桩梁板式码头的有限元模型进行空间结构计算。然而，采用实体单元建模虽然能最大程度地模拟码头的真实结构，但其建模过程十分繁琐和复杂，模型的单元节点数目庞大，建模和计算都需要花费大量的时间和精力，计算完成后提取各结构构件的内力还需要经过应力取矩、积分等高等数学运算，这使得该方法在实际工程设计中很少使用且较难推广。采用梁壳单元建立码头的空间有限元模型进行计算，其建模和提取内力的过程虽然比实体单元简单，但由于采用了简化的单元和缺少对桩帽构件的模拟，在正确体现各构件实际空间位置关系和桩梁之间的连接处理方面一直缺乏深入研究，这两个环节处理得不好，其计算结果依然是不可靠的。因此，针对高桩梁板式码头提出一种既简便易用又接近实际的空间有限元建模方法是目前港口工程设计迫切需要解决的重要课题。

发明内容

本发明的目的是针对传统高桩梁板式码头采用平面结构计算过于简化的问题，而现有建立高桩梁板式码头空间有限元模型的方法要么太繁琐、要么不符合实际的现状，提供一种既简便易用又接近实际的高桩梁板式码头空间有限元建模方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，其中包括以下步骤：(1)提取码头桩、梁、面板构件的几何参数；(2)在计算机中采用有限元分析软件ANSYS建立码头桩、梁、面板构件的有限元模型；(3)对纵梁和横梁的横截面进行偏移；(4)选择每根桩的桩顶节点和与桩顶垂直距离最小的梁节点，耦合上述两个节点的不同自由度实现桩梁之间的不同连接处理，节点的自由度包括节点沿X、Y、Z三个方向移动的位移自由度和绕X轴、Y轴、Z轴旋转的转角自由度。

上述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法中，所述的步骤(1)具体为：根据待施工码头的CAD图纸，忽略对码头整体结构计算影响较小的构件，把码头结构简化成仅由桩、梁、面板三类构件组成的简化结构；同时提取这些桩、梁、面板构件的几何参数；进一步地，所述的桩、梁、面板构件的几何参数具体指纵梁、横梁和桩的关键点坐标和横截面形状参数以及面板的长度、宽度、厚度和关键点坐标。

上述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法中，所述的步骤(2)具体为：采用有限元分析软件ANSYS中的BEAM188梁单元建立码头纵梁、横梁和桩的有限元模型，采用SHELL181壳单元建立码头面板的有限元模型，并把纵梁和横梁的单元节点与其竖直投影位置相同的面板单元节点设为同一节点；同时对所建的模型添加材料参数和单元参数；进一步地，所述的材料参数是指模型构件所用材料的密度、弹性模量和泊松比；所述的单元参数是指纵梁、横梁和桩的横截面形状参数以及面板的厚度。

上述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法中，所述的步骤(3)具体为：在步骤(2)建立的有限元模型基础上，通过ANSYS的SECOFFSET命令设置纵梁和横梁的横截面偏移参数，该参数是指横截面形心到横截面顶部的距离；由此对纵梁和横梁的横截面进行偏移，使得偏移后的纵梁和横梁有限元模型高程位置与实际相符。

上述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法中，所述的步骤(4)具体为：在步骤(2)建立的有限元模型基础上，通过ANSYS的CP命令对两个节点的自由度进行耦合，当耦合两个节点的三个位移自由度时，对桩梁之间的连接实现铰接处理；当耦合两个节点的全部六个自由度，对桩梁之间的连接实现刚接处理。

本发明采用上述方法后，解决了传统把高桩梁板式码头简化成平面结构计算，从而导致忽略码头各结构构件在空间上的相互影响和整体效应的问题；解决了采用实体单元建立高桩梁板式码头空间有限元模型繁琐费时、提取结构构件内力麻烦，而采用梁壳单元建立码头空间有限元模型又难于符合实际的问题。通过设置纵梁和横梁的横截面偏移参数，将其横截面形心按实际高程位置偏移；并通过耦合桩顶节点和与桩顶垂直距离最小的梁节点的不同自由度实现桩梁之间的不同连接处理，不仅能正确体现码头各结构构件的实际空间位置关系和相互连接特征，从而更真实地模拟码头结构的受力状态，为高桩梁板式码头的结构设计提供更可靠的内力计算结果，而且建模过程简单，计算所需时间少，提取结构构件内力方便，较易在港口工程设计中推广使用。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明实施例中码头断面图；

图2是本发明实施例中码头梁板布置图；

图3是本发明实施例中码头桩位布置图；

图4是本发明实施例中码头桩、梁、面板构件的有限元模型示意图；

图5是本发明实施例中纵梁和横梁横截面偏移前的有限元模型示意图；

图6是本发明实施例中纵梁和横梁横截面偏移后的有限元模型示意图；

图7是本发明实施例中桩梁连接后的码头空间有限元模型；

图8是桩梁连接后的码头空间有限元模型的局部放大示意图。

具体实施方式

参阅图1至图8所示，以某高桩梁板式码头的一个结构段为工程实例，采用本发明的技术方案，建立其空间有限元模型。

一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，包括下述步骤：

(1)简化码头结构，提取码头桩、梁、面板构件的几何参数；

根据码头的CAD图纸，如图1～3所示，忽略对码头整体结构计算影响较小的构件，如桩帽、靠船构件、系船柱、钢轨等，把码头结构简化成仅由桩、梁、面板三类构件组成的简化结构；同时提取这些桩、梁、面板构件的几何参数，其中纵梁、横梁和桩的几何参数是指关键点坐标和横截面的形状参数，具体参数如下：

表1码头桩基关键点坐标表之一

表2码头桩基关键点坐标表之二

表3码头桩基关键点坐标表之三

表4码头桩基关键点坐标表之四

表5纵梁关键点坐标表

表6横梁关键点坐标表

表7桩的横截面形状参数表

表8纵梁和横梁的横截面形状参数表

面板的几何参数是指面板的长度、宽度、厚度和关键点坐标，具体参数如下：

表9面板的关键点坐标表

表10面板的几何尺寸参数表

(2)在计算机中建立码头桩、梁、面板构件的有限元模型；

根据第一步所得的几何参数，采用国内外知名的大型通用有限元分析软件ANSYS中的BEAM188梁单元建立码头纵梁、横梁和桩的有限元模型，采用SHELL181壳单元建立码头面板的有限元模型，并把纵梁和横梁的单元节点与其竖直投影位置相同的面板单元节点设为同一节点，如图4所示；同时对所建的模型添加材料参数和单元参数，其中材料参数是指模型构件所用材料的密度、弹性模量和泊松比，具体参数如下表：

表11码头桩、梁、面板构件的材料参数表

纵梁、横梁和桩的单元参数是指横截面的形状参数，面板的单元参数是指面板的厚度；

(3)对纵梁和横梁的横截面进行偏移；

在步骤(2)建立的有限元模型基础上，通过ANSYS的SECOFFSET命令设置纵梁和横梁的横截面偏移参数，该参数是指横截面形心到横截面顶部的距离，具体参数如下表：

表12纵梁和横梁的横截面偏移参数表

由此对纵梁和横梁的横截面进行偏移，使得偏移后的纵梁和横梁有限元模型高程位置与实际相符；从图5和图6的对比可以看出，如果不实施这一步骤对纵梁和横梁的横截面进行偏移，则码头面板中性面、纵梁和横梁的中性轴将位于同一水平面上，这是与实际严重不符的，会给码头结构内力计算带来较大的误差，而采用本步骤，可以很方便地解决这一问题；

(4)桩梁之间的连接处理；

选择每根桩的桩顶节点和与桩顶垂直距离最小的梁节点，通过ANSYS的CP命令耦合上述两个节点的不同自由度实现桩梁之间的不同连接处理；节点的自由度包括节点沿X、Y、Z三个方向移动的位移自由度和绕X轴、Y轴、Z轴旋转的转角自由度；如果耦合上述两个节点的三个位移自由度，则对桩梁之间的连接实现铰接处理，这种连接可以不受约束地转动，梁和桩之间只传递剪力，不传递弯矩，如图7和图8所示，从图中可看出，图中的三角形代表位移自由度，图中在桩顶节点和与桩顶垂直距离最小的梁节点处分别显示了三个三角形并用一条直线把它们连接起来，表示有限元模型中耦合了上述两个节点的三个位移自由度，即对桩梁之间的连接实现了铰接处理；如果耦合上述两个节点的全部六个自由度，则对桩梁之间的连接实现刚接处理，这种连接假定桩和梁之间无相对转动，有足够的刚性，能承受弯矩；目前常见的高桩梁板式码头空间有限元建模方法，在桩梁之间的连接处理大多是固定的，如果临时想修改连接处理方式，需要花费很多时间和精力修改模型，甚至全部推倒重新建模，而采用本步骤，工程师可以根据工程的实际情况以及桩梁连接处的钢筋配筋设计，只需执行一条命令就能方便灵活地改变桩梁之间不同的连接处理方式进行码头空间结构计算。

Claims

1.一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)提取码头桩、梁、面板构件的几何参数；(2)在计算机中采用有限元分析软件ANSYS建立码头桩、梁、面板构件的有限元模型；(3)对纵梁和横梁的横截面进行偏移；(4)选择每根桩的桩顶节点和与桩顶垂直距离最小的梁节点，耦合上述两个节点的不同自由度实现桩梁之间的不同连接处理，节点的自由度包括节点沿X、Y、Z三个方向移动的位移自由度和绕X轴、Y轴、Z轴旋转的转角自由度。

2.根据权利要求1所述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体为：根据待施工码头的CAD图纸，忽略对码头整体结构计算影响较小的构件，把码头结构简化成仅由桩、梁、面板三类构件组成的简化结构；同时提取这些桩、梁、面板构件的几何参数。

3.根据权利要求2所述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，其特征在于，所述的桩、梁、面板构件的几何参数具体指纵梁、横梁和桩的关键点坐标和横截面形状参数以及面板的长度、宽度、厚度和关键点坐标。

4.根据权利要求1所述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：采用有限元分析软件ANSYS中的BEAM188梁单元建立码头纵梁、横梁和桩的有限元模型，采用SHELL181壳单元建立码头面板的有限元模型，并把纵梁和横梁的单元节点与其竖直投影位置相同的面板单元节点设为同一节点；同时对所建的模型添加材料参数和单元参数。

5.根据权利要求4所述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，其特征在于，所述的材料参数是指模型构件所用材料的密度、弹性模量和泊松比；所述的单元参数是指纵梁、横梁和桩的横截面形状参数以及面板的厚度。

6.根据权利要求1所述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体为：在步骤(2)建立的有限元模型基础上，通过ANSYS的SECOFFSET命令设置纵梁和横梁的横截面偏移参数，该参数是指横截面形心到横截面顶部的距离。

7.根据权利要求1所述的一种高桩梁板式码头的空间有限元建模方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体为：在步骤(2)建立的有限元模型基础上，通过ANSYS的CP命令对两个节点的自由度进行耦合，当耦合两个节点的三个位移自由度时，对桩梁之间的连接实现铰接处理；当耦合两个节点的全部六个自由度，对桩梁之间的连接实现刚接处理。