CN110555276A - 码头门机移动荷载及多层框架式码头最危险组合荷载计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层框架式码头最危险组合内力值及其相应的最危险组合荷载计算方法，首先建立多层框架式码头结构段的三维有限元模型；然后计算在不同荷载工况单独作用下模型中各构件的内力值；并构成总内力值矩阵；按照荷载组合原则得到荷载组合方案；最后通过对各组合内力值进行对比分析最终确定构件的最危险内力组合值及其相应的最危险组合荷载；本发明提供的方法适用于计算多层框架式码头结构构件的最危险组合荷载。其中，充分考虑了堆货荷载作为面荷载的全组合模式，门机荷载的移动特性以及撞击力不可与工作状态门机荷载共同组合等诸多因素，使得最终的计算结果能够更趋于实际情况，为多层框架式码头结构的设计和研究提供一定的技术支撑。

Description

码头门机移动荷载及多层框架式码头最危险组合荷载计算方 法及系统

技术领域

本发明涉及结构型式复杂的框架式码头技术领域，特别是一种码头门机移动荷载及多层框架式码头最危险组合荷载计算方法及系统。

背景技术

多层框架式码头通常是由大直径全直桩基，立柱，纵、横梁，系、靠船梁，纵、横撑，面板，靠船构件等及其码头附属设施所共同构成。由于码头所在地水文条件的特殊性，其水位差最大可高达30m以上，为满足该处大变幅水位的需求，码头设计通常是采用多层分层系缆以及多点靠泊的结构形式，这便导致了多层框架式码头相比于传统的高桩码头而言，其荷载工况组合的数量非常巨大，在对该结构进行初步设计的过程中，通常是工程师根据自身的经验来确定结构的最危险组合荷载。由于经验法的个人主观意识太强，往往将导致其最危险组合荷载出现“错”、“漏”等现象。结构的最危险组合荷载将会直接影响其控制内力值，从而影响其中各构件的几何尺寸，最终影响框架式码头整体结构的承载能力。

申请号为CN201210101393.6；申请日为20120407；申请人为中交第四航务工程勘察设计院有限公司公开的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，该方法是针对普通高桩码头荷载进行计算，适用于结构较为简单且水位差较小的高桩码头的承载能力的计算。

现有文献中对门机的荷载工况往往仅考虑了门机的吊臂中轴线垂直于码头前沿线的工况，并且是将移动状态的门机荷载简化为作用在轨道梁上不同位置处的准静态静力分析过程，并未考虑工作状态的门机转动所引起的码头结构构件受力情况发生改变，与门机的实际作用工况不符，这样将造成原本移动状态下门机荷载的计算出现严重的失误，从而导致框架式码头的最危险组合荷载计算不准确。

另外，门机(门座式起重机)均要求是在当船舶稳定停靠后才允许开始进行货物装卸作业，故船舶停靠过程中对码头结构造成的船舶撞击力不可能与门机的移动荷载二者同时作用在码头结构上。然而，现今的技术中并未考虑到上述因素的影响，而采用的是将码头上所有的荷载都当作是同时出现而进行组合计算，同样也造成了码头的最危险组合荷载计算结果不准确。

因此，需要寻求一种科学合理的计算方法来搜寻得到多层框架式码头结构的最危险组合荷载。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种码头门机移动荷载及多层框架式码头最危险组合荷载计算方法，该方法将各荷载工况单独作用于结构上时各构件的内力结果按照荷载组合原则进行叠加计算，搜寻其中的最危险内力组合值，并确定出该最危险内力组合值所对应的各具体的荷载工况组合，即为该构件的最危险组合荷载。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的码头门机移动荷载计算方法，包括以下步骤：

确定门机移动的轨道；

确定门机参数；

确定门机上吊臂在门机移动过程中的转动角度范围；

根据确定的门机移动轨道、门机参数和门机吊臂转动角度，将门机竖向荷载按移动荷载的方式施加到码头结构的有限元模型上；

计算得到有限元模型中各构件以移动门机荷载方式单独作用下的内力值。

进一步，所述门机参数包括门机支腿中轮子数量、轮轴荷载、轮距和支腿间距。

本技术方案提供的多层框架式码头最危险组合荷载计算方法，包括以下步骤：

建立多层框架式码头结构段的有限元模型；所述有限元模型包括码头构件单元；

计算有限元模型中构件分别在不同荷载工况单独作用下各单元各截面处的内力值；

将构件的内力值构成矩阵得到构件总内力值矩阵；

将总内力值矩阵中的数据按各荷载模式进行分类，分别储存至各荷载模式矩阵中；

将荷载模式矩阵中的荷载工况子向量按照荷载组合原则，可划分为两类荷载组合方案：第一荷载组合方案LCC1，第二荷载组合方案LCC2；

所述荷载模式包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL、门机系缆力PCMF和船舶荷载SL；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

所述第一荷载组合方案LCC1包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和门机系缆力PCMF；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；

所述第二荷载组合方案LCC2包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和船舶荷载SL；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

按照第一荷载组合方案LCC1搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

按照第二荷载组合方案LCC2搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最大正值和第二荷载组合方案LCC2最大正值，获得构件内力最大正值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最小负值和第二荷载组合方案LCC2最小负值，获得构件内力最小负值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

将上述构件内力最大正值与构件内力最小负值的绝对值进行对比计算，得到多层框架式码头模型中各构件最终的最危险内力组合值及其对应的最危险组合荷载；

输出码头构件的最危险内力组合值、最危险组合荷载以及构件的最危险单元编号。

进一步，所述有限元模型包括码头门机移动荷载单元；所述码头门机移动荷载单元中的码头门机移动荷载按照以下步骤进行计算：

确定门机移动的轨道；

确定门机参数；

确定门机上吊臂在门机移动过程中的转动角度范围；

根据确定的门机移动轨道、门机参数和门机吊臂转动角度，将门机竖向荷载按移动荷载的方式施加到码头结构的有限元模型上；

计算得到有限元模型中各构件以移动荷载方式单独作用下的内力值。

进一步，所述门机参数包括门机支腿中轮子数量、轮轴荷载、轮距和支腿间距。

进一步，所述码头构件荷载组合按照以下方式建立：

[LCC]_b×t＝[{lcc}₁ {lcc}₂ L {lcc}_t]；

式中：

[LCC]_b×t表示按照荷载组合原则将各荷载工况子向量分别相互叠加后得到的构件荷载组合矩阵；

t为荷载组合矩阵的列数，

b为荷载组合矩阵的行数，表示构件中所包含的有限单元截面总数；

k表示第k种荷载模式；

n表示荷载模式的种类或数量，即：共有n类(种)荷载模式；

m_k表示第k种荷载模式中的荷载工况种类，即代表：第k种荷载模式中的第m_k种荷载工况；

{lcc}_t表示荷载组合矩阵中的第t个子向量，该子向量为由各荷载工况子向量中的数值相互叠加得到的结果。

进一步，所述总内力值矩阵按照以下方式建立：

式中：

[M]_b×c为由各构件各截面在相应荷载工况单独作用下得到的内力结果值构成的矩阵；

b表示构件中所包含的有限单元截面总数；

c为作用于结构上的荷载工况总数，

d_n表示第d_n种荷载工况，d_n＝1,2,…,m_n；n≥1且为整数；

为构件在第d_n种荷载工况单独作用下，第j个截面处的内力值。

或者

所述各构件总内力值矩阵按照以下方式建立：

其中，

表示构件在第1种荷载模式下各截面的内力值矩阵；

表示构件在第2种荷载模式下各截面的内力值矩阵；

表示构件在第n种荷载模式下各截面的内力值矩阵，如下：

其中，

表示构件在第种荷载工况作用下，第b个截面的内力值；

n表示荷载模式的种类或数量，即：共有n类(种)荷载模式，n＝1,2,…(n≥1且为整数)；

m_n表示第n种荷载模式中的荷载工况种类，m_n≥1；

m_k表示第k种荷载模式中的荷载工况种类，即代表：第k种荷载模式中的第m_k种荷载工况，m_n≥1；

或者

其中，表示构件在第n种荷载模式下各截面的内力值矩阵中的荷载工况子向量，具体表达式为：

本技术方案提供的多层框架式码头最危险组合荷载计算系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

建立多层框架式码头结构段的有限元模型；所述有限元模型包括码头构件单元；

计算有限元模型中构件分别在不同荷载工况单独作用下各单元各截面处的内力值；

将构件的内力值构成矩阵得到各构件总内力值矩阵；

将总内力值矩阵中的数据按各荷载模式进行分类，分别储存至各荷载模式矩阵中；

将荷载模式矩阵中的荷载工况子向量按照荷载组合原则，可划分为两类荷载组合方案：第一荷载组合方案LCC1，第二荷载组合方案LCC2；

所述荷载模式包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL、门机系缆力PCMF和船舶荷载SL；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

所述第一荷载组合方案LCC1包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和门机系缆力PCMF；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；

所述第二荷载组合方案LCC2包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和船舶荷载SL；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

按照第一荷载组合方案LCC1搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

按照第二荷载组合方案LCC2搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最大正值和第二荷载组合方案LCC2最大正值，获得构件内力最大正值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最小负值和第二荷载组合方案LCC2最小负值，获得构件内力最小负值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

将上述构件内力最大正值与构件内力最小负值的绝对值进行对比计算，得到多层框架式码头模型中各构件最终的最危险内力组合值及其对应的最危险组合荷载；

输出码头构件的最危险内力组合值、最危险组合荷载以及构件的最危险单元编号。

进一步，所述有限元模型包括码头门机移动荷载单元，所述门机移动荷载单元中的码头门机移动荷载按照以下步骤进行计算：

确定门机移动的轨道；

确定门机参数；

确定门机上吊臂在门机移动过程中的转动角度范围；

根据确定的门机移动轨道、门机参数和门机吊臂转动角度，将门机竖向荷载按移动荷载的方式施加到码头结构的有限元模型上；

计算得到码头有限元模型中各构件以移动荷载方式单独作用下的内力值。

进一步，所述门机参数包括门机支腿中轮子数量、轮轴荷载、轮距和支腿间距。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的方法，适用于搜寻多层框架式码头结构的最危险组合荷载，该方法基于结构中各构件分别在不同荷载工况单独作用下的内力结果，通过矩阵运算的基本原理和荷载组合原则来实现对各构件内力值的组合叠加，并从中搜寻得到各构件的最危险内力组合值及其对应的最危险组合荷载。该方法充分考虑了堆货荷载作为面荷载的全组合模式，门机荷载的移动特性，系缆力的作用点位置以及船舶撞击力不可与工作状态的门机共同进行组合等诸多问题，使得最终的计算结果能够更符合实际情况，为多层框架式码头结构的设计和研究提供技术支撑。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究，本发明的优势对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为某多层框架式码头结构断面图。

图2为码头结构三维图。

图3为码头结构的三维有限元模型。

图4为堆货荷载工况图。

图5为门机轨距、轮距图。

图6a为门机荷载1工况图。

图6b为门机荷载2工况图。

图6c为门机荷载3工况图。

图7为撞击力工况图。

图8为系缆力工况图。

图9为多层框架式码头构件最危险组合荷载计算方法流程图。

图中，11为走道梁、12为立柱、13为横撑、14为纵撑、15为大直径嵌岩桩、21为横梁、22为边梁、23为轨道梁、24为纵梁、25为面板、26为系船柱、31为系船梁、32为橡胶护舷、33为靠船梁、34为靠船构件、4为泥面线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例及附图中所涉及到字母符号含义具体如下：

LP：荷载模式；LC：荷载工况；LCC：荷载工况组合；DL：结构自重荷载；CL：堆货荷载；PCL：门机荷载；IF：撞击力；MF：系缆力；SL：船舶荷载；PCMF：门机系缆力；RSP(Φ2.2)：直径为2.2m的嵌岩灌注桩；RSP(Φ2.0)：直径为2.0m的嵌岩灌注桩；CN：组合编号；WEN：最危险单元编号；P(+)：最危险轴力正值；P(-)：最危险轴力负值；V(+)：最危险剪力正值；V(-)：最危险剪力负值；M(+)：最危险弯矩正值；M(-)：最危险弯矩负值。

如图1所示，本实施例提供的多层框架式码头，由于构件繁多，其结构形式相对复杂，若要研究码头整体结构的最危险组合荷载无疑相当的困难。

本实施例采用“化整为零”的研究思路，以结构中各重要构件为对象，探讨其最危险内力组合值及其对应的最危险组合荷载，这样可极大程度的减少计算量，降低计算难度。根据我国《码头结构设计规范(JTS 167-2018》中规定，高桩码头结构应按承载能力和正常使用极限状态下的不同情况来分别对作用于结构上的荷载进行组合。

本实施例按照结构在正常使用极限状态标准组合为前提的条件下，将各荷载工况单独作用于结构上时各构件的内力结果按荷载组合原则进行叠加计算，搜寻其中的最危险内力组合值，并确定出该内力组合值所对应的具体组合荷载，即为该构件的最危险组合荷载。

计算码头中各构件分别在不同荷载工况单独作用下各单元各截面处的内力结果，可运用现有的结构通用有限元分析软件并通过建立多层框架式码头结构段的三维有限元模型来得以实施。

将有限元分析计算得到的各构件内力结果按其单元、截面编号与其单独的荷载工况相对应，根据表1对各构件的内力值进行整理统计。

表1为某构件各截面处的内力值计算结果整理

表中，

EN为构件的单元编号；

SN为构件的截面编号；

F表示内力值(包括：轴力、剪力、弯矩)；

a表示构件所包含的单元总数；

e_i表示该构件中的第i个单元，i＝1,2,...,a；b表示构件中所包含的截面总数；

s_j表示其中的第j个截面，j＝1,2,...,b；n为荷载模式的种类，n≥1；

LP_n为第n种荷载模式(其中共包含m_n种荷载工况)；

m_n表示第n种荷载模式中的荷载工况种类，m_n≥1；

为第n种荷载模式中的第d_n种荷载工况，d_n＝1,2,...,m_n；

构建码头各构件总内力值矩阵，具体如下所述：

将表1中构件各截面在相应荷载工况下的内力结果置于一个大矩阵中，并将其命名为构件总内力值矩阵[M]_b×c，其表达式为：

式中：

c为作用于结构上的荷载工况总数，

为该构件在第d_n种荷载工况单独作用下，第j个截面的内力值。

其中，荷载模式矩阵建立如下：

将总内力值矩阵[M]_b×c中的数据按各荷载模式进行分类，分别储存至各荷载模式矩阵中，定义该构件在第n种荷载模式下各截面的内力值矩阵为

其中，n＝1,2,…(n≥1且为整数)。

荷载工况子向量：

如式(2)所示，荷载模式矩阵中每1列即表征该构件在第n种荷载模式中第d_n种荷载工况单独作用下各截面的内力值。定义式(2)矩阵中的各列数据为该构件的荷载工况子向量，则其通用表达式可写为：

上式中，d_n＝1,2,…,m_n；n≥1且为整数。故根据式(3)可知，荷载模式矩阵可用荷载工况子向量表示：

荷载组合矩阵：

按照荷载组合原则，将各荷载工况子向量分别相互叠加即可得到码头构件的荷载组合矩阵[LCC]_b×t，其表达式为：

[LCC]_b×t＝[{lcc}₁ {lcc}₂ L {lcc}_t] (5)

式中：

t为荷载组合矩阵的列数，

该矩阵中的各个子向量({lcc}₁,{lcc}₂,…,{lcc}_t)是由各荷载工况子向量中的数值相互叠加得到的结果，形成组合矩阵之后，即可从中搜寻并筛选出该构件的最危险内力组合值，并根据该内力组合值来得到该构件相应的最危险组合荷载。通过上述分析便巧妙的将寻求多层框架式码头结构各构件最危险组合荷载的计算模式转化为数值分析中的矩阵运算过程，该过程可通过计算机编程得以实现。

实施例2

本实施例以某典型的多层框架式码头工程项目为例，探讨其结构的最危险组合荷载，详细阐述本发明计算方法的实施步骤及算法流程，并计算得到实例结构中桩基，立柱，横梁，轨道梁等10个主要受力构件最危险内力值所对应的最危险组合荷载，确定了各构件最危险组合荷载中的主导可变荷载以及构件的最危险单元编号。

本实施例中所提供的方法的可行性及计算结果的正确性可通过以下数值试验得以验证，最终结论表明：运用本实施例提供的方法可将实例结构中原本可能出现的8,074,035,200种荷载组合简化到其中最危险的48种，极大程度的减少了结构设计计算工作量，研究成果可为多层框架式码头结构的设计和研究提供技术支撑。

工程概况：如图1所示，图1为多层框架式码头结构断面图，图2为码头结构三维图示；这类码头结构包含一系列重要构件：走道梁、立柱、横撑、纵撑、横梁、边梁、轨道梁、纵梁、面板、系船梁、靠船梁、靠船构件、大直径嵌岩桩直径分为2.0m和2.2m。本实施例提供的码头通过大直径嵌岩桩设置于地基当中，在位于泥面线上的部分通过横撑和纵撑构建出具体框架结构的码头主体部分，在码头主体部分的上部设置有由横梁和纵梁构建的梁格体系，其上安置的面板可用于堆放码头上的货物。在码头结构每一层的系船梁上均设置有系船柱，并在沿纵向的靠船构件上设置用于缓冲船舶撞击力的橡胶护舷。

该码头位于长江中上游的三峡库区变动回水区内，工程所在地水文条件特殊，其水位差约35m，地质条件良好，在泥面以下约1.5m处即为承载能力良好的基岩。

码头前方桩台总宽30m，基桩采用大直径全直嵌岩灌注桩，其中前排桩直径Φ2.2m，后排桩直径Φ2.0m；桩基之上为直径Φ1.4m的圆形立柱；横梁截面为倒T型；边梁(0.6m×2.0m)、轨道梁(1.0m×2.0m)和一般纵梁(0.8m×2.0m)截面均为矩形；纵梁之上为钢筋混凝土叠合板，板厚0.45m；该框架式结构共设3层钢筋混凝土纵、横撑，其截面均为1.5m×1.5m的矩形；同时，该码头共设6层系缆，各钢系船梁(Φ0.8m，δ14mm)上均设置45t系船柱，钢靠船构件(直径Φ1.0m，壁厚δ16mm)上安装DA-A500H型橡胶护舷。

图3为本实施例中多层框架式码头结构的三维有限元模型，本实施例提供的有限元模型是通过SAP 2000软件来实现的；该模型由5榀横向排架构成。根据实例中该码头的结构形式及力学特征，可将其受力分析简化为三维空间刚架进行有限元数值模拟。该码头是以5榀横向排架作为一个结构段，各结构段之间采用变形缝分割，故各结构段相互之间的荷载传递可忽略。建模过程中，面板采用薄板单元，其余构件均采用等截面线弹性梁单元，边界条件采用假想嵌固点原理限制桩基底部6个方向自由度。

单独作用于码头有限元模型上的荷载工况包括：

永久荷载：包括实例码头结构中各个构件的自重，将其统一命名为结构自重(DeadLoad，简称DL)，为1种荷载工况。

可变荷载，包括：

堆货荷载：将堆货荷载以均布面荷载的形式作用于码头模型的面板上，每块面板位于由纵、横梁形成的梁格之上。作用于每1块面板上的均布面荷载即为1种初始堆货荷载工况，实例中考虑堆货荷载大小为30kPa，则初始堆货荷载工况种类为20种，如图4所示，图4为堆货荷载工况图示。

由于堆货荷载可能出现同时堆在其中某几格的情况，因此，应按照堆货荷载的全组合模式综合评估其荷载工况的总数量，如表2所示，经计算可得最终的堆货荷载工况种类共1,048,576种。

门机荷载：本实施例考虑1台门机作业，门机型号为Mh-40-45，其轨距与支腿间距均为12m，如图5所示。图5为门机轨距、轮距图示；在结构有限元分析过程中，考虑门机荷载为移动荷载，并按规范JTS 144-1-2010中规定的门机工作状态，将门机荷载工况共分为3种，如图6a、6b、6c所示为门机荷载工况图示。

表2堆货荷载工况

本实施例提供的门机移动荷载计算是通过有限元分析方法来进行的，首先通过有限元分析软件将码头上的门机荷载考虑为移动荷载进行操作，本实施例提供的有限元分析软件采用SAP 2000，具体过程如下：

首先定义门机轨道，通过添加新轨道，输入与门机轨道对应的有限单元框架编号，定义门机的轮子数量、轮距、支腿间距；然后通过添加车辆和确定车辆等级，按照实际门机支腿之间的最小距离以及各支腿的轮轴荷载(轮压力)，定义门机的四个支腿及其轮压力。

本实施例中的码头门机移动荷载按照以下步骤进行计算：

确定门机移动的轨道；

确定门机参数，所述门机参数包括门机支腿中轮子数量、轮轴荷载、轮距和支腿间距；

确定门机上吊臂在门机移动过程中的转动角度范围；

根据确定的门机移动轨道、门机参数和门机吊臂转动角度，将门机竖向荷载按移动荷载的方式施加到码头结构的有限元模型上；

计算得到有限元模型中各构件分别在不同的门机参数和门机吊臂转动角度条件下，均以移动门机荷载方式单独作用下的内力值。

本实施例的门机上吊臂在门机移动过程中的转动角度范围包括：吊臂中轴线垂直于码头前沿线的角度、吊臂中轴线与垂直于码头前沿线方向呈45°角的角度以及吊臂中轴线平行于码头前沿线的角度，见图6a、6b、6c。其中，3种不同情况下门机各支腿的轮压力见表3，因此本方法中考虑了工作状态的门机转动而引起的码头结构构件受力情况发生改变的工况，避免了将移动状态的门机荷载简化为作用在轨道梁上不同位置处的准静态静力分析过程的解决方案，因此计算出来的荷载相应与实际情况更为相符。

表3为不同荷载工况下门机的支腿压力(单位：kN)

船舶荷载：本实施例提供的船舶荷载工况数分别包括：无系缆力和撞击力工况1种，撞击力工况24种，系缆力工况12种，共计37种。

①撞击力

根据规范JTS 144-1-2010计算得到撞击力大小，F_IF＝1000kN，M_IF＝845kN.m。根据结构的对称性，其撞击力工况图示如图7所示，共24种，用图中的IF1-24来表示，箭头表示撞击力的方向。其中，撞击力1、2、9、10、17、18为高水位撞击力，撞击力3、4、5、11、12、13、19、20、21为中水位撞击力，撞击力6、7、8、14、15、16、22、23、24为低水位撞击力。

②系缆力

根据规范JTS 144-1-2010计算得到系缆力大小，F_MF＝436kN。根据结构的对称性，其系缆力工况图示如图8所示，共12种，图中用MF1-12来表示，箭头表示系缆力的方向。其中，系缆力1、2、7、8为高水位系缆力，系缆力3、4、5、9、10、11为中水位系缆力，系缆力6、12为低水位系缆力。

图7为撞击力工况图示，图8为系缆力工况图示。

荷载组合原则：

在码头结构荷载组合过程中，应遵循以下两大重要原则：

(1)撞击力不能与系缆力组合；

(2)撞击力不能与工作状态下的门机荷载组合。

综上所述，各构件的荷载组合方案可按照荷载组合原则分为两类：

(1)方案一：自重荷载+堆货荷载+船舶荷载(系缆力或撞击力)

(2)方案二：自重荷载+堆货荷载+门机系缆力(门机荷载或门机荷载+系缆力)

各构件在方案一、方案二中的荷载组合种类可分别计算得到，其结果如表4、5所示。

表4为方案一组合荷载的种类

表5为方案二组合荷载的种类

综上所述，对于实施例的多层框架式码头中的任意一个构件，其组合荷载的总数应为38,797,312+41,943,040＝80,740,352种。本实施例中共包含10个主要受力构件，包括：前排桩(直径Φ2.2m)、后排桩(直径Φ2.0m)、立柱、靠船构件、横梁、横撑、靠船梁、轨道梁、纵撑、系船梁。每个构件按其内力(轴力、剪力、弯矩)分别进行组合计算，其中剪力、弯矩中存在着对构件截面强轴、弱轴的内力结果，而对于各构件的轴力、剪力、弯矩也需要分别探讨其最大正值及最小负值(绝对值最大)。故本实例中多层框架式码头整体结构的组合荷载总数应为8,074,035,200种，如表6所示。

表6为多层框架式码头结构组合荷载总数

构件最危险组合荷载计算步骤：

针对本实例结构中某受力构件，下面详细叙述其最危险组合荷载计算方法的具体步骤：

(1)结构有限元分析；建立多层框架式码头结构某1结构段(包含5榀横向排架)的三维有限元模型，经有限元分析计算得到不同荷载工况单独作用下，码头结构段中各构件的内力值(包括：轴力、剪力、弯矩)；

(2)生成构件总内力值矩阵及各荷载模式矩阵；导出各构件内力值并根据表1整理数据，导入并储存至算法程序中生成各构件总内力值矩阵[M]。在本实例中，总内力值矩阵[M]内所包含的荷载模式矩阵分别包括：结构自重荷载矩阵[DL]、门机荷载矩阵[PCL]、初始堆货荷载矩阵[CL]、系缆力矩阵[MF]、撞击力矩阵[IF]。

其中，各荷载模式矩阵中所包含的各荷载工况子向量的数量分别为：结构自重1种，门机荷载3种，初始堆货荷载20种，系缆力12种，撞击力24种，即表明各构件总内力值矩阵中共包含60种荷载工况子向量，故总内力值矩阵可写为：

其中，各荷载模式矩阵及其所包含的荷载工况子向量分别为：

①结构自重荷载矩阵

[DL]_b×1＝[dl_1,1 dl_2,1 L dl_b,1]^T＝{dl}₁ (7)

②门机荷载矩阵

③初始堆货荷载矩阵

④系缆力矩阵

⑤撞击力矩阵

式中：

{dl}₁为结构自重荷载工况子向量；

{pcl}_i为门机荷载工况子向量，i＝1,2,3；

为初始对活荷载工况子向量，j＝1,2,...20；

{mf}_k为系缆力工况子向量，k＝1,2,...12；

{if}_h为撞击力工况子向量，h＝1,2,...24。

(3)集成最终堆货荷载矩阵；依据表2中堆货荷载的组合模式，将各初始堆货荷载工况子向量相互叠加计算，集成最终堆货荷载矩阵[CL](Final)，其中共包含1048576列荷载工况子向量，即：

式中：为最终堆货荷载工况子向量，r＝1,2,...1048576。

(4)集成船舶荷载矩阵及门机系缆力矩阵；根据表3、表4分别集成船舶荷载矩阵[SL]及门机系缆力矩阵[PCMF]，其中，船舶荷载矩阵中共包含37个荷载工况子向量，门机系缆力矩阵中共包含40个荷载工况子向量，分别为：

式中：{nsl}₁为无船舶荷载(即无系缆力、无撞击力)时的荷载工况子向量，{nsl}₁＝0；{npcmf}₁为无门机系缆力(既无门机荷载，又无系缆力)时的荷载工况子向量，{npcmf}₁＝0；{pcmf}_v为门机与系缆力同时出现时的荷载工况子向量，v＝1,2,...,36；其余各符号同上。

(5)集成组合矩阵；根据荷载组合原则分别集成方案一、方案二的组合矩阵，其中：

①方案一：

②方案二：

式中：分别表示方案一、方案二中的各组合子向量。

其中，i＝1,2,...38797312；j＝1,2,...41943040。

(6)记录结果；在上述两种荷载组合方案中搜寻结构各构件的最危险内力组合值(最大正值和最小负值)，并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号。

(7)结果输出，内容应包括：①构件的最危险内力组合值；②最危险组合荷载；③构件的最危险单元编号。

多层框架式码头构件最危险组合荷载计算方法流程：

根据上述原理及计算步骤可得到本实例中多层框架式码头结构各受力构件的最危险组合荷载计算方法流程图，如图9所示，具体包括以下步骤：

建立多层框架式码头结构段的三维有限元模型；

计算模型中各构件分别在不同荷载工况单独作用下各单元各截面处的内力值；

将各构件的内力值构成矩阵得到各构件总内力值矩阵；将总内力值矩阵中的数据按各荷载模式进行分类，分别储存至各荷载模式矩阵中；

在各构件总内力值矩阵中按照荷载组合原则进行叠加组合得到构件的不同内力组合值及其对应的组合荷载；

所述荷载模式包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL、门机系缆力PCMF和船舶荷载SL；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

将荷载模式矩阵中的荷载工况子向量按照荷载组合原则可划分为第一荷载组合方案LCC1和第二荷载组合方案LCC2；所述第一荷载组合方案LCC1包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和门机系缆力PCMF；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；

所述第二荷载组合方案LCC2包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和船舶荷载SL；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

按照第一荷载组合方案LCC1搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

按照第二荷载组合方案LCC2搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最大正值和第二荷载组合方案LCC2最大正值，获得构件内力最大正值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最小负值和第二荷载组合方案LCC2最小负值，获得构件内力最小负值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

通过将上述构件内力最大正值与构件内力最小负值的绝对值进行对比计算，得到多层框架式码头模型中各构件最终的最危险内力组合值及其对应的组合荷载；输出码头构件的最危险内力组合值、最危险组合荷载以及构件的最危险单元编号，作为模型中构件的最危险计算结果。

循环重复以上步骤直到所有构件的最危险组合荷载结果计算完毕。

计算结果：根据上述理论分析及计算方法流程步骤，可编程计算得到实例多层框架式码头中各受力构件的最危险内力组合值及其对应的最危险组合荷载与构件最危险单元编号。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.码头门机移动荷载计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

确定门机移动的轨道；

确定门机参数；

确定门机上吊臂在门机移动过程中的转动角度范围；

根据确定的门机移动轨道、门机参数和门机吊臂转动角度，将门机竖向荷载按移动荷载的方式施加到码头结构的有限元模型上；

计算得到有限元模型中各构件以移动门机荷载方式单独作用下的内力值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述门机参数包括门机支腿中轮子数量、轮轴荷载、轮距和支腿间距。

3.多层框架式码头最危险组合荷载计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

建立多层框架式码头结构段的有限元模型；所述有限元模型包括码头构件单元；

计算有限元模型中构件分别在不同荷载工况单独作用下各单元各截面处的内力值；

将构件的内力值构成矩阵得到构件总内力值矩阵；

将总内力值矩阵中的数据按各荷载模式进行分类，分别储存至各荷载模式矩阵中；

将荷载模式矩阵中的荷载工况子向量按照荷载组合原则，可划分为两类荷载组合方案：第一荷载组合方案LCC1，第二荷载组合方案LCC2；

所述荷载模式包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL、门机系缆力PCMF和船舶荷载SL；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

所述第一荷载组合方案LCC1包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和门机系缆力PCMF；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；

所述第二荷载组合方案LCC2包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和船舶荷载SL；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

按照第一荷载组合方案LCC1搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

按照第二荷载组合方案LCC2搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最大正值和第二荷载组合方案LCC2最大正值，获得构件内力最大正值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最小负值和第二荷载组合方案LCC2最小负值，获得构件内力最小负值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

将上述构件内力最大正值与构件内力最小负值的绝对值进行对比计算，得到多层框架式码头模型中各构件最终的最危险内力组合值及其对应的最危险组合荷载；

输出码头构件的最危险内力组合值、最危险组合荷载以及构件的最危险单元编号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述有限元模型包括码头门机移动荷载单元；所述码头门机移动荷载单元中的码头门机移动荷载按照以下步骤进行计算：

确定门机移动的轨道；

确定门机参数；

确定门机上吊臂在门机移动过程中的转动角度范围；

根据确定的门机移动轨道、门机参数和门机吊臂转动角度，将门机竖向荷载按移动荷载的方式施加到码头结构的有限元模型上；

计算得到有限元模型中各构件以移动荷载方式单独作用下的内力值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述门机参数包括门机支腿中轮子数量、轮轴荷载、轮距和支腿间距。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述码头构件荷载组合按照以下方式建立：

[LCC]_b×t＝[{lcc}₁ {lcc}₂ L {lcc}_t]；

式中：

[LCC]_b×t表示按照荷载组合原则将各荷载工况子向量分别相互叠加后得到的构件荷载组合矩阵；

t为荷载组合矩阵的列数，

b为荷载组合矩阵的行数，表示构件中所包含的有限单元截面总数；

k表示第k种荷载模式；

n表示荷载模式的种类或数量，即：共有n类(种)荷载模式；

m_k表示第k种荷载模式中的荷载工况种类，即代表：第k种荷载模式中的第m_k种荷载工况；

{lcc}_t表示荷载组合矩阵中的第t个子向量，该子向量为由各荷载工况子向量中的数值相互叠加得到的结果。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述总内力值矩阵按照以下方式建立：

式中：

[M]_b×c为由各构件各截面在相应荷载工况单独作用下得到的内力结果值构成的矩阵；

b表示构件中所包含的有限单元截面总数；

c为作用于结构上的荷载工况总数，(n≥1且为整数)；

d_n表示第d_n种荷载工况，d_n＝1,2,…,m_n；n≥1且为整数；

为构件在第d_n种荷载工况单独作用下，第j个截面处的内力值。

或者

所述各构件总内力值矩阵按照以下方式建立：

其中，

表示构件在第1种荷载模式下各截面的内力值矩阵；

表示构件在第2种荷载模式下各截面的内力值矩阵；

表示构件在第n种荷载模式下各截面的内力值矩阵，如下：

其中，

表示构件在第种荷载工况作用下，第b个截面的内力值；

n表示荷载模式的种类或数量，即：共有n类(种)荷载模式，n＝1,2,…(n≥1且为整数)；

m_n表示第n种荷载模式中的荷载工况种类，m_n≥1；

m_k表示第k种荷载模式中的荷载工况种类，即代表：第k种荷载模式中的第m_k种荷载工况，m_n≥1；

或者

其中，表示构件在第n种荷载模式下各截面的内力值矩阵中的荷载工况子向量，具体表达式为：

8.多层框架式码头最危险组合荷载计算系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

建立多层框架式码头结构段的有限元模型；所述有限元模型包括码头构件单元；

计算有限元模型中构件分别在不同荷载工况单独作用下各单元各截面处的内力值；

将构件的内力值构成矩阵得到各构件总内力值矩阵；

将总内力值矩阵中的数据按各荷载模式进行分类，分别储存至各荷载模式矩阵中；

将荷载模式矩阵中的荷载工况子向量按照荷载组合原则，可划分为两类荷载组合方案：第一荷载组合方案LCC1，第二荷载组合方案LCC2；

所述荷载模式包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL、门机系缆力PCMF和船舶荷载SL；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

所述第一荷载组合方案LCC1包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和门机系缆力PCMF；所述门机系缆力PCMF包括门机荷载PCL和系缆力MF；

所述第二荷载组合方案LCC2包括结构自重荷载DL、堆货荷载CL和船舶荷载SL；所述船舶荷载SL包括系缆力MF和撞击力IF；

按照第一荷载组合方案LCC1搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第一荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

按照第二荷载组合方案LCC2搜寻结构各构件的最危险内力组合值；所述最危险内力组合值包括第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最大正值和第二荷载组合方案中各构件内力组合值的最小负值；并记录下该最危险内力组合值所对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最大正值和第二荷载组合方案LCC2最大正值，获得构件内力最大正值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

比较第一荷载组合方案LCC1最小负值和第二荷载组合方案LCC2最小负值，获得构件内力最小负值并记录下对应的组合荷载以及构件的最危险单元编号；

将上述构件内力最大正值与构件内力最小负值的绝对值进行对比计算，得到多层框架式码头模型中各构件最终的最危险内力组合值及其对应的最危险组合荷载；

输出码头构件的最危险内力组合值、最危险组合荷载以及构件的最危险单元编号。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述有限元模型包括码头门机移动荷载单元，所述门机移动荷载单元中的码头门机移动荷载按照以下步骤进行计算：

确定门机移动的轨道；

确定门机参数；

确定门机上吊臂在门机移动过程中的转动角度范围；

根据确定的门机移动轨道、门机参数和门机吊臂转动角度，将门机竖向荷载按移动荷载的方式施加到码头结构的有限元模型上；

计算得到码头有限元模型中各构件以移动荷载方式单独作用下的内力值。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述门机参数包括门机支腿中轮子数量、轮轴荷载、轮距和支腿间距。