CN102663189B - 一种高桩码头荷载的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高桩码头荷载的处理方法，属于高桩码头荷载处理技术领域，其技术要点包括如下步骤：(1)按照实际工况，建立三维码头计算模型；(2)分析码头面上的荷载信息，确定空间荷载种类和分布情况，将空间荷载归类，然后根据相应的类型将空间荷载分配到横向排架和纵向排架；(3)通过二维有限元计算得到空间荷载产生的内力和支座反力在最大值和最小值时的最不利位置，所述的内力包括弯矩和剪力；(4)按照荷载的最不利位置，将这些荷载布置到三维码头计算模型中，最后通过三维有限元计算方法得到各构件的内力；本发明旨在提供一种二维有限元计算和三维有限元计算相结合的高桩码头荷载的处理方法；用于高桩码头荷载的处理。

Description

一种高桩码头荷载的处理方法

技术领域

本发明涉及一种荷载的处理方法，更具体地说，尤其涉及一种高桩码头荷载的处理方法。

背景技术

高桩码头的结构内力分析，通常简化为平面问题，按纵向和横向两个平面进行计算，纵梁按弹性支承连续梁计算，横向排架按柔性桩台计算。这种计算方法较为简便，但存在不少缺陷，往往忽略纵向水平力的作用，且不能真实反应上部结构的空间受力关系，给码头结构设计带来了风险。

如果按空间问题进行计算，由于空间模型较复杂，运算量较大，要直接在空间模型中找出活荷载弯矩和反力最大值和最小值时的最不利位置，不仅仅是一个非常复杂的过程，而且还会耗费相当长的时间，这是低效率的做法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维有限元计算和三维有限元计算相结合且充分考虑了码头面荷载与各构件之间的空间位置关系和相互关联的特征的高桩码头荷载的处理方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种高桩码头荷载的处理方法，所述方法包括如下步骤：

(1)按照实际工况，建立三维码头计算模型；

(2)分析码头面上的荷载信息，确定空间荷载种类和分布情况，将空间荷载归类，然后根据相应的类型将空间荷载分配到横向排架和纵向排架；

(3)通过二维有限元计算得到空间荷载产生的内力和支座反力在最大值和最小值时的最不利位置，所述的内力包括弯矩和剪力；

(4)按照荷载的最不利位置，将这些荷载布置到三维码头计算模型中，最后通过三维有限元计算方法得到各构件荷载的内力。

上述的一种高桩码头荷载的处理方法中，步骤(2)所述的空间荷载归类为点荷载和面荷载；当荷载为点荷载时，根据简支梁求支座反力的方法，将对应荷载分配到相应的纵梁或横梁上；当荷载为成组点荷载时，把每个点荷载单独处理后叠加；当荷载为面荷载时，把面荷载转成线荷载分配到相应的纵梁和横梁上，然后再按线荷载的方法来处理。

上述的一种高桩码头荷载的处理方法中，所述的荷载为面荷载时，其具体处理方法为：首先确定荷载的分布区域，然后根据荷载所在区域的梁格尺寸判断荷载是否满布该梁格，梁格是指纵梁和横梁交叉围成的矩形区；

当荷载满布时，根据梁格的长宽边判断该区域是单向板还是双向板，最后按简支梁求支座反力的方法分配荷载，具体为：当b≤0.5a，按单向板原则分配荷载，把荷载分配到纵梁上，横梁不承担荷载；分配到纵梁上荷载的转换公式为：Q＝q×b/2；

当b≤a且b＞0.5a，按双向板原则分配荷载，从矩形区域四角分别作45度线与平行于长边的中线相交，将板分为四个部分，各部分的荷载分配于相对应的支承梁上，即两个梯形区域的荷载分配给相应的两根纵梁，两个三角形区域荷载分配给相应的两根横梁；分配到纵梁或横梁上的荷载强度最大值的转换公式为：Q＝q×b/2；

当b＞a，按双向板原则分配荷载，分配方法同前，两个三角形区域的荷载分配给相应的两根纵梁，两个梯形荷载分配给相应的两根横梁；分配到纵梁或横梁上的荷载强度最大值的转换公式为：Q＝q×a/2；

其中：Q为分配到梁上的荷载强度最大值，q为面荷载强度标准值，b为相邻两纵梁间的距离，a为相邻两横梁间的距离；

当荷载非满布时，按单向板的原则将荷载分配给纵梁，横梁不承担荷载。具体为：

位于A、B两纵梁之间的面荷载，分配给A纵梁的荷载转换公式：Q_A＝q×c×b₂/b，分配给B纵梁的荷载转换公式：Q_B＝q×c×b₁/b；

其中，Q_A和Q_B为分配到纵梁上的荷载强度值，q为面荷载强度标准值，c为分布在A、B两纵梁之间的面荷载分布宽度，b为两纵梁间的距离，b₁为分布在A、B两纵梁之间的面荷载中心线距离A纵梁长度，b₂为分布在A、B两纵梁之间的面荷载中心线距离B纵梁长度。

上述的一种高桩码头荷载的处理方法中，所述步骤(3)得到最不利位置后，将最不利位置的平面坐标转换成三维坐标。

上述的一种高桩码头荷载的处理方法中，所述步骤(4)根据二维有限元计算得到的荷载在横梁上的最不利位置和在纵梁上的最不利位置，将这些荷载布置到三维码头计算模型中，最后通过三维有限元计算方法得到各构件荷载的内力。

本发明采用上述方法后，通过二维有限元计算和三维有限元计算相结合的方法来布置码头面的荷载并计算结构的内力和支座反力。该方法充分考虑了码头面荷载与各构件之间的空间位置关系和相互关联的特征，从而更真实地模拟码头横梁、纵梁、面板在荷载作用下的受力状态，为高桩梁板码头结构设计提供更可靠的荷载计算结果。

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1三维模型码头面的结构示意图；

图2是本发明实施例2三维模型码头面的结构示意图；

图3是本发明实施例2中单向板满布面荷载分配示意图；

图4是图3中单向板满布时纵梁受力示意图；

图5是本发明实施例2中一种双向板满布面荷载分配示意图；

图6是图5中双向板满布时纵梁受力示意图；

图7是图5中双向板满布时横梁受力示意图；

图8是本发明实施例2中另一种双向板满布面荷载分配示意图；

图9是图8中双向板满布时纵梁受力示意图；

图10是图8中双向板满布时横梁受力示意图；

图11是本发明实施例2中单向板非满布面荷载分配示意图；

图12是图11中左纵梁的受力示意图；

图13是图11中右纵梁的受力示意图。

图中：第一纵梁1、第二纵梁2、第三纵梁3、第一横梁4、第二横梁5、第三横梁6、第四横梁7、第一矩形8、第二矩形9、第三矩形10、左纵梁11、右纵梁12。

具体实施方式

本发明的一种高桩码头荷载的处理方法，所述方法包括如下步骤：

(1)按照实际工况，建立三维码头计算模型；

(2)分析码头面上的荷载信息，确定空间荷载种类和分布情况，将空间荷载归类，然后根据相应的类型将空间荷载分配到横向排架和纵向排架；所述的空间荷载归类为点荷载、面荷载；当荷载为点荷载时，根据简支梁求支座反力的方法，将对应荷载分配到相应的纵梁或横梁上；当荷载为成组点荷载时，把每个点荷载单独处理后叠加；例如：例如位于相邻的A、B两梁之间的点荷载P，其分配给A梁的荷载：P_A＝Pa/l，其中，P_A为分配到A梁上的荷载值，单位千牛(kN)；P为荷载标准值，单位千牛(kN)；a为点荷载P到B梁的距离，单位米(m)；l为A、B两梁之间的距离，单位米(m)。

当荷载为面荷载时，把面荷载转成线荷载分配到相应的纵梁和横梁上，然后再按线荷载的方法来处理。当荷载为面荷载时，其具体处理方法为：首先确定荷载的分布区域，然后根据荷载所在区域的梁格尺寸判断荷载是否满布该梁格，梁格是指纵梁和横梁交叉围成的矩形区；

当荷载满布时，根据梁格的长宽边判断该区域是单向板还是双向板，最后按简支梁求支座反力的方法分配荷载，具体为：当b≤0.5a，按单向板原则分配荷载，把荷载分配到纵梁上，横梁不承担荷载；分配到纵梁上荷载的转换公式为：Q＝q×b/2；

当b≤a且b＞0.5a，按双向板原则分配荷载，从矩形区域四角分别作45度线与平行于长边的中线相交，将板分为四个部分，各部分的荷载分配于相对应的支承梁上，即两个梯形区域的荷载分配给相应的两根纵梁，两个三角形区域荷载分配给相应的两根横梁；分配到纵梁或横梁上的荷载强度最大值的转换公式为：Q＝q×b/2；

当b＞a，按双向板原则分配荷载，分配方法同前，两个三角形区域的荷载分配给相应的两根纵梁，两个梯形荷载分配给相应的两根横梁；分配到纵梁或横梁上的荷载强度最大值的转换公式为：Q＝q×a/2；

其中：Q为分配到梁上的荷载强度最大值，q为面荷载强度标准值，b为相邻两纵梁间的距离，a为相邻两横梁间的距离；

当荷载非满布时，按单向板的原则将荷载分配给纵梁，横梁不承担荷载。具体为：

位于A、B两纵梁之间的面荷载，分配给A纵梁的荷载转换公式：Q_A＝q×c×b₂/b，分配给B纵梁的荷载转换公式：Q_B＝q×c×b₁/b；

其中，Q_A和Q_B为分配到纵梁上的荷载强度值，q为面荷载强度标准值，c为分布在A、B两纵梁之间的面荷载分布宽度，b为两纵梁间的距离，b₁为分布在A、B两纵梁之间的面荷载中心线距离A纵梁长度，b₂为分布在A、B两纵梁之间的面荷载中心线距离B纵梁长度。

(3)通过二维有限元计算得到空间荷载内力和支座反力在最大值和最小值时的最不利位置，然后将最不利位置的平面坐标转换成三维坐标，所述的内力包括弯矩和剪力；

(4)按照荷载的最不利位置，将这些荷载布置到三维码头计算模型中，最后通过三维有限元计算方法得到各构件荷载的内力，具体为根据二维有限元计算得到的荷载在横梁上的最不利位置和在纵梁上的最不利位置，将这些荷载布置到三维码头计算模型中，最后通过三维有限元计算方法得到各构件荷载的内力。

下面结合两个实施例分别说明点、面荷载的处理方法

实施例1

点荷载

参阅图1所示，以运输机械荷载电瓶车为例，求第二纵梁2的弯矩最大值。

图中A、B、C、D分别代表电瓶车的四个轮子，其轮压分别是q_A＝q_B＝200(kN)；q_C＝q_D＝100(kN)；同时，第一纵梁1与第二纵梁2的中心轴线间距a为8m、第二纵梁2与第三纵梁3的中心轴线间距b为7m、轮子A与轮子B的中心点之间的间距c为3m、轮子C与轮子D的中心点之间的间距d为2m、两排轮子的中心点之间的间距e为4m。

为了计算电瓶车运输机械荷载对第二纵梁2的弯矩最大值，首先把电瓶车运输机械对称放在第二纵梁2上，

轮子A对第二纵梁2的荷载Q_A＝200×(7-(3÷2))÷7，即Q_A＝157.14(kN)，轮子B对第二纵梁2的荷载Q_B＝200×(8-(3÷2))÷8，即Q_A＝162.5(kN，由于轮子A和轮子B的x坐标相同，所以荷载值累加，即轮子A和轮子B对第二纵梁2的荷载值为Q₁＝Q_A+Q_B＝157.14+162.5＝319.64(kN)。

同理计算轮子C和D对第二纵梁2的荷载值Q₂＝Q_C+Q_D＝85.71+87.5＝173.21(kN)，然后结合第二纵梁2的材料、截面、梁跨划分单元等信息，通过二维有限元计算方法得到荷载对第二纵梁2产生弯矩最大值时的最不利位置，即X坐标。

接着把该最不利位置转换成三维模型中对应的坐标，其中Y坐标为第二纵梁2中心线所在的Y坐标，Z坐标为码头面高程，把电瓶车运输机械按该坐标放置在三维码头计算模型的第二纵梁2上，然后通过三维有限元计算方法计算电瓶车运输机械对第二纵梁2产生的弯矩。

同理计算电瓶车运输机械在弯矩最小值最不利位置时第二纵梁2的内力。

实施例2

面荷载

(1)满布

参阅图2所示，以堆货荷载为例，求第二纵梁2的支座反力最大值。图中，码头面板被第一纵梁1、第二纵梁2、第一横梁4、第二横梁5、第三横梁6和第四横梁7分隔成如下三个矩形区域，分别为第一矩形8、第二矩形9和第三矩形10，三个矩形区域均满布堆货荷载，堆货荷载强度标准值q＝10(kN/m²)单位：千牛每平米。

在第一矩形8中，第一纵梁1和第二纵梁2之间的梁跨a＝8(m)，第一横梁4和第二横梁5之间的梁跨b＝4(m)，则有b≤0.5a所以第一矩形8为单向板，其荷载分配如图3和图4所示，分布在第一矩形8中的堆货荷载只分配给第一纵梁1和第二纵梁2，不分配给横梁，分配给第一纵梁1和第二纵梁2的堆货荷载强度值Q＝q×(b÷2)＝10×(4÷2)＝20(kN/m)，单位：千牛每延米。在第二矩形9中，第一纵梁1和第二纵梁2之间的梁跨c＝6(m)，第二横梁5和第三横梁6之间的梁跨b＝4(m)，则有c≥b＞0.5c，所以第二矩形9为双向板，其荷载分配如图5至图7所示，按双向板原则分配堆货荷载，从第二矩形9区域四角分别作45度线与平行于长边的中线相交，将板分为四个部分，各部分的荷载分配于相对应的支承梁上，即两个梯形区域的荷载分配给相应的两根纵梁，两个三角形区域荷载分配给相应的两根横梁。分配给纵梁或横梁的堆货荷载强度最大值Q＝q×(b÷2)＝10×(4÷2)＝20(kN/m)。

在第三矩形10中，第一纵梁1和第二纵梁2之间的梁跨d＝3(m)，第三横梁6和第四横梁7之间的梁跨b＝4(m)，则有b＞d，所以第三矩形10为双向板，其荷载分配如图8至图10所示，两个三角形区域的荷载分配给相应的两根纵梁，两个梯形荷载分配给相应的两根横梁。分配到纵梁或横梁上的荷载强度最大值Q＝q×(d÷2)＝10×(3÷2)＝15(kN/m)。

(2)非满布

参阅图11至图13所示，如果荷载非满布，则按单向板的原则将荷载分配给纵梁，横梁不承担荷载。

图中：q＝10，是面荷载强度标准值，单位千牛每平米(kN/m²)；c＝4，是分布在两纵梁之间的面荷载分布宽度，单位米(m)；b＝7，是两纵梁间的距离，单位米(m)；b1＝3，分布在两纵梁之间的面荷载中心线距离左纵梁11长度，单位米(m)；b2＝4，分布在两纵梁之间的面荷载中心线距离右纵梁12长度，单位米(m)。

分配到左纵梁11上的荷载强度值Q₁＝10×4×4÷7＝22.86(kN/m)，单位千牛每延米；分配到右纵梁12上的荷载强度值Q₂＝10×4×3÷7＝17.1(kN/m)，单位千牛每延米。

然后结合纵梁的材料、截面、梁跨划分单元等信息，通过二维有限元计算方法得到堆货荷载对第二纵梁2产生的支座反力在最大值和最小值时的最不利位置。

Claims (4)

1.一种高桩码头荷载的处理方法，所述方法包括如下步骤：

（1）按照实际工况，建立三维码头计算模型；

（2）分析码头面上的荷载信息，确定空间荷载种类和分布情况，将空间荷载归类为点荷载和面荷载；当荷载为点荷载时，根据简支梁求支座反力的方法，将对应荷载分配到相应的纵梁或横梁上；当荷载为成组的点荷载时，把每个点荷载单独处理后叠加；当荷载为面荷载时，把面荷载转成线荷载分配到相应的纵梁和横梁上，然后再按线荷载的方法来处理，然后根据相应的类型将空间荷载分配到横向排架和纵向排架；

（3）通过二维有限元计算得到空间荷载产生的内力和支座反力在最大值和最小值时的最不利位置；

（4）按照荷载的最不利位置，将这些荷载布置到三维码头计算模型中，最后通过三维有限元计算方法得到各构件的内力。

2.根据权利要求1所述的一种高桩码头荷载的处理方法，其特征在于，所述的荷载为面荷载时，其具体处理方法为：首先确定荷载的分布区域，然后根据荷载所在区域的梁格尺寸判断荷载是否满布该梁格，梁格是指纵梁和横梁交叉围成的矩形区；

当荷载满布时，根据梁格的长宽边判断该区域是单向板还是双向板，最后按简支梁求支座反力的方法分配荷载，具体为：当b≤0.5a，按单向板原则分配荷载，把荷载分配到纵梁上，横梁不承担荷载；分配到纵梁上荷载的转换公式为：Q=q×b/2；

当b≤a且b＞0.5a，按双向板原则分配荷载，从矩形区域四角分别作45度线与平行于长边的中线相交，将板分为四个部分，各部分的荷载分配于相对应的支承梁上，即两个梯形区域的荷载分配给相应的两根纵梁，两个三角形区域荷载分配给相应的两根横梁；分配到纵梁或横梁上的荷载强度最大值的转换公式为：Q=q×b/2；

当b＞a，按双向板原则分配荷载，分配方法同前，两个三角形区域的荷载分配给相应的两根纵梁，两个梯形荷载分配给相应的两根横梁；分配到纵梁或横梁上的荷载强度最大值的转换公式为：Q=q×a/2；

其中：Q为分配到梁上的荷载强度最大值，q为面荷载强度标准值，b为相邻两纵梁间的距离，a为相邻两横梁间的距离；

当荷载非满布时，按单向板的原则将荷载分配给纵梁，横梁不承担荷载，具体为：

位于A、B两纵梁之间的面荷载，分配给A纵梁的荷载转换公式：Q_A=q×c×b₂/b，分配给B纵梁的荷载转换公式：Q_B=q×c×b₁/b；

其中，Q_A和Q_B为分配到纵梁上的荷载强度值，q为面荷载强度标准值，c为分布在A、B两纵梁之间的面荷载分布宽度，b为两纵梁间的距离，b₁为分布在A、B两纵梁之间的面荷载中心线距离A纵梁长度，b₂为分布在A、B两纵梁之间的面荷载中心线距离B纵梁长度。

3.根据权利要求1所述的一种高桩码头荷载的处理方法，其特征在于，所述步骤（3）得到最不利位置后，将最不利位置的平面坐标转换成三维坐标。

4.根据权利要求1所述的一种高桩码头荷载的处理方法，其特征在于，所述步骤（4）根据二维有限元计算得到的荷载在横梁上的最不利位置和在纵梁上的最不利位置，将这些荷载布置到三维码头计算模型中，最后通过三维有限元计算方法得到各构件荷载的内力。

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