1. 1碼頭的結(jié)構(gòu)型式

碼頭按結(jié)構(gòu)型式可分為重力式、板樁式、高樁式、混合式碼頭。

重力式碼頭(圖1. 1)是靠自重(包括結(jié)構(gòu)重量和結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的填料重量)來抵抗

滑動(dòng)和傾倒的，從這個(gè)角度說，自重越大越好，但是地基將承受很大的壓力，使地基可

能喪失穩(wěn)定性或產(chǎn)生過大的沉降。為此需要設(shè)置基礎(chǔ)，通過它將外力傳到較大的面積的

地基上或下臥硬土層上以減小地基應(yīng)力，這種結(jié)構(gòu)對(duì)地基的適應(yīng)性比較差，主要是用于

地質(zhì)情況較好的地基。

板樁式碼頭是靠打入土中的板樁來?yè)跬恋�，這種結(jié)構(gòu)會(huì)使板樁受到較大

的土壓力。為了減小板樁的上部位移和跨中彎矩，上部一般用拉桿拉住，拉桿力傳給后

面的錨旋結(jié)構(gòu)。由于板樁是一較薄弱的構(gòu)件，又承受較大的土壓力，所以板樁式碼頭是

適用于擋土墻高不大的情況，一般在10米以下[}s}0

高樁碼頭主要由上部結(jié)構(gòu)和樁基兩部分組成。上部結(jié)構(gòu)構(gòu)成碼頭的地面，

并把樁基連成整體，直接承受作用在碼頭上的水平力和垂直力，并把它們傳給樁基，樁

基再將這些力傳給地基。由于海岸沿線的地質(zhì)條件較差，一般都為軟土地基，而高樁碼

頭適用于軟土地基，因此高樁碼頭應(yīng)用較廣。

1. 2高樁碼頭的結(jié)構(gòu)形式

高樁碼頭結(jié)構(gòu)型式的是按上部結(jié)構(gòu)區(qū)分的，主要包括混凝土承臺(tái)式，無梁板式，梁

板式，框架式。

梁板式碼頭各個(gè)構(gòu)件受力明確，可以采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，提高了構(gòu)件的抗裂性能。板

梁式碼頭的缺點(diǎn)是:構(gòu)件的類型和數(shù)量多，施工較麻煩，上部結(jié)構(gòu)底部輪廓形狀復(fù)雜、

死角多，水氣不易排除，構(gòu)件中鋼筋易銹蝕[}s}0

框架式碼頭整體性好，剛度大，但由于施工比較麻煩，造價(jià)也較高，在水位差不大

的港口中逐漸被梁板式碼頭所替代[}s70

無梁板式碼頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工迅速，造價(jià)也低�，F(xiàn)行的無梁板式碼頭面板多采用普

通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而且靠船構(gòu)件懸臂長(zhǎng)，設(shè)計(jì)難度大，僅適用于水位差不大、集中荷

載較小的中小型碼頭[}s}0

承臺(tái)式碼頭剛度大、整體性好，但自重大，需樁多，較適用于良好持力層不太深且

能打支承樁的地基[}s}0

1. 3結(jié)構(gòu)分析理論

高樁碼頭傳統(tǒng)的計(jì)算方法主要有彈性支撐連續(xù)梁法和柔性樁臺(tái)法。本文主要應(yīng)用有

限元理論，利用Ansys通用有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析。

1.3.2有限元分析計(jì)算的基本思路和步驟

1有限元分析的基本思路

有限元理論處理問題的基本思路是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限多個(gè)且按一

定方式相互連接在一起的單元組合體。利用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示

全求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各

個(gè)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達(dá)。從而將無限自由度體系轉(zhuǎn)化為有限自由度體系。

故未知量求出之后，就可通過插值函數(shù)計(jì)算出單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值，從而求出整個(gè)求

解域上的近似值。因此有限元法實(shí)質(zhì)上是在計(jì)算模型上求解的一種近似的計(jì)算方法l2sl0

2有限元分析的基本步驟

C1)將連續(xù)體離散化，即將連續(xù)的求解區(qū)域離散化為由虛擬的線或面構(gòu)成的有限

個(gè)單元的組合體，以模擬或逼近求解域[l2sl0

C2)假設(shè)單元由位于邊界的結(jié)點(diǎn)相互連接在一起并以這些結(jié)點(diǎn)的位移為基本未知

量。

(3)利用節(jié)點(diǎn)未知量，選擇一組插值函數(shù)唯一的定義單元體內(nèi)的相應(yīng)的物理量(位

移、應(yīng)力、應(yīng)變)，也就是選擇單元模式[12s10大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文格式規(guī)范

(4)將各種類型荷載轉(zhuǎn)化為只作用在結(jié)點(diǎn)上的等效荷載，建立結(jié)點(diǎn)荷載與基本未

知量之間的基本方程。

1.3.3應(yīng)用有限元分析軟件Ansys進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析是的基本步驟

1建立結(jié)構(gòu)模型定義單元類型，賦予單元實(shí)常數(shù)構(gòu)成結(jié)構(gòu)幾何體，定義幾何體材料

屬性從而構(gòu)成結(jié)構(gòu)模型，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格[2s] .

2施加載荷和邊界條件，根據(jù)工程具體分析要求，等效簡(jiǎn)化邊界約束，布置承受荷載

[2s].

3校驗(yàn)，求解，運(yùn)行過程中通過參數(shù)效驗(yàn)，檢查模型建立的準(zhǔn)確性，及時(shí)進(jìn)行修正

(2s] ,

4評(píng)價(jià)和分析結(jié)果，運(yùn)行結(jié)果可以通過控制輸出模式，根據(jù)需要得到各種有關(guān)的力學(xué)

性能參數(shù)、表格、圖形、動(dòng)畫等各種形式表現(xiàn)輸出，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[2s]0

1. 5研究目的和意義

綜上所述，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的高樁碼頭主要有以下幾個(gè)缺點(diǎn):

1、碼頭上部結(jié)構(gòu)底輪廓復(fù)雜，有許多可以積聚鹽霧潮濕空氣的空間，耐久性差，

使用壽命短;

2,整體性差，排架的剛度雖大，是排架間的聯(lián)系比較薄弱，不能充分發(fā)揮上部結(jié)

構(gòu)的整體剛度;

3、水上施工工作量大; 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

4、現(xiàn)澆工作量大;

5、施工速度較慢。

針對(duì)以上問題，邱大洪院士提出了整體箱板式新型高樁碼頭的設(shè)計(jì)構(gòu)思，并組織了

科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

本課題應(yīng)用有限元理論，借助于Ansys分析軟件對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，根據(jù)計(jì)算

的內(nèi)力結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力配筋，而后在結(jié)構(gòu)本身及施工上對(duì)此新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性加

以闡述。

對(duì)于高樁碼頭結(jié)構(gòu)型式將是一次重大的突破和創(chuàng)新，極大地改善高樁碼頭耐久性差

的問題，使結(jié)構(gòu)的整體性，抗裂性能，承載性能都將得到改善，使高樁碼頭得到更廣泛

的應(yīng)用。

3. 2結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

3. 2. 1建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

本文采用ansys進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，按照其分析步驟，首先要進(jìn)行建模。在Ansys

中提供了兩種方法建立模型的方法:實(shí)體建模和直接生成模型。直接建模比較適用于小型

簡(jiǎn)單的模型，對(duì)于規(guī)模較大，外形較復(fù)雜的模型，實(shí)體建模比較方便，本模型尺寸較大，

內(nèi)有孔洞，故采用實(shí)體建模1221。劃分單元網(wǎng)格采用映射網(wǎng)個(gè)劃分方式。

本結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型采用Solid45三維實(shí)體單元和Beam 188梁?jiǎn)卧��?lián)合應(yīng)用。對(duì)于上

部箱板結(jié)構(gòu)采用Solid65單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，對(duì)于樁基礎(chǔ)采用Baem 188單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。Solid

單元有X, Y, Z、三個(gè)方向的平移自由度，Beam單元除有X, Y, Z，三個(gè)方向的自由

度平移之外還有繞三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)角自由度。由于自由度的不同，在禍合之前連接結(jié)點(diǎn)

由于沒有轉(zhuǎn)角約束，所以連接方式為鉸接，而實(shí)際的情況是上部箱板具有很大的剛度，

足以約束樁基的轉(zhuǎn)角，所以要按剛接來計(jì)算，故要將兩種單元的自由度在兩種單元的連

接結(jié)點(diǎn)處進(jìn)行自由度的禍合。

自由度的禍合主要有兩種方法，一種是直接禍合，一種是約束方程。對(duì)于三維塊體

單元與梁?jiǎn)卧�的禍合，用約束方程更適宜。約束方程的主要思路是梁?jiǎn)卧�繞某個(gè)坐標(biāo)軸

的轉(zhuǎn)角近似的等于兩側(cè)最近塊體元結(jié)點(diǎn)垂直于該坐標(biāo)軸的位移的差值。禍合后的模型如

圖3. 1, 3. 2所示，劃分網(wǎng)格后模型中塊體元總數(shù)為29136個(gè)，梁?jiǎn)卧�總�?shù)為2160個(gè)。

本文只對(duì)位移計(jì)算做簡(jiǎn)要介紹。

3. 2. 2位移計(jì)算

根據(jù)《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTJ291-98)的要求，需要對(duì)碼頭水平位移進(jìn)行

驗(yàn)算，按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

碼頭水平位移主要考慮船舶撞擊力引起的變位，分別考慮當(dāng)船舶靠泊和船舶系泊時(shí)

引起的位移:

由表中數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可以看出試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)的最大水平位移在l Omm左右，而原始結(jié)構(gòu)經(jīng)

計(jì)算水平位移在20mm左右，這是由于，上部結(jié)構(gòu)的整體箱板體系的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)

梁板體系的剛度，使結(jié)構(gòu)的整體性和抗側(cè)移剛度大大提高。

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