三种有限元软件在板桩码头结构计算中的应用研究

刘 文 平

(兰州军区建筑设计院，甘肃 兰州 730020)

1 概述

为了突破传统板桩墙结构型式在码头建设中应用的局限性，近年来提出了一种码头结构——遮帘式板桩[1，2]，由于遮帘桩承担了部分码头侧土体压力，从而使前板墙的侧向受力有大大减少。但此类结构无成熟的设计计算方法，而模型试验[3，4]由于受到各种条件的限制，均无法对现场各种复杂工况进行准确模拟。而有限元数值分析是近年来飞速发展起来的计算方法，广泛用于求解结构、流体及各种耦合分析等各种复杂的模型。有限元计算精度高，可以进行不同的岩土本构关系分析，模拟施工过程以及计算结构与土体的共同作用。研究思路，通过PLAXIS，ANSYS及FLAC三种不同软件进行计算，分析对比不同软件计算结果；将计算结果与实际检测数据相比较，分析计算数据与监测数据的差异，推荐一种可用于工程设计的实用有限元计算方法，这也是本文的目的。

2 工程概况

本文以京唐港32号码为例进行计算分析。码头设计水位为0.27 m，前沿码头泥面线设计高程为-16.0 m，码头前墙高度为27.0 m、厚度为1.0 m，锚锭墙高度为16 m、厚度为1.2 m，遮帘桩长度为30.0 m，尺寸为1.0 m×2.0 m，间距2.75 m，前墙、遮帘桩和锚锭墙通过钢系拉杆进行连接。计算截面见图1。

3 二维有限元模拟

3.1 程序简介

在工程分析计算当中，由于二维有限元[5,6]建模方便，计算历时短，计算精度能满足工程应用，从而被广泛应用。常用的有限元计算软件为ANSYS,PLAXIS以及FLAC。ANSYS是通用的有限元计算软件，建模方便，通过单元生死功能可以模拟不同的施工步骤， PLAXIS程序功能比较强大，能够模拟较多的实际工程，能够模拟土体、墙、板和梁结构及各种结构和土体的接触面。程序能够动态显示计算信息，有利于结果监控。FLAC采取动态松驰法求解,求解过程不需要形成较大的刚度矩阵,对计算机内存配置要求低,有利于求解大型工程。FLAC可以进行大变形分析,更适合进行岩土工程的破坏研究。

3.2 计算参数及计算准则

根据提供的地质资料，其计算参数取值：混凝土重度25 kN/m3，弹性模量3×1010Pa，泊松比0.2；钢重度78.5 kN/m3，弹性模量2.06×1011Pa，泊松比0.2，其余参数见表1。

表1 各材料计算参数

计算模型采用理想弹塑性下的摩尔库仑准则，ANSYS采用的屈服准则为摩尔库仑准则的一种特殊形式，当使用DP4准则时需要对岩土的C，φ值进行转化。PLAXIS与FLAC程序中由于自带有摩尔库仑准则，则参数不需要转换，直接输入岩土的C,φ值。

则直接输入。

3.3 模型建立

在遮帘式码头结构中，前墙及锚锭墙均为钢筋混凝土连续墙，遮帘桩尺寸为2 m×1 m，两桩之间的距离2.75 m，为进行二维平面应变求解，需将遮帘桩用刚度等效的办法等效成可用于二维求解的连续墙。刚度等效就是等效前后刚度中EI一致，由于E为定值，通过I=bh3/12，将尺寸为1 m×2 m的桩等效成为1.43 m厚的连续墙。ANSYS模型中，码头中的土体单元采用六节点三角形平面PLANE2，前墙、遮帘桩及锚锭墙混凝土结构均采用Beam3梁单元，钢系杆用Link1杆单元进行模拟。PLAXIS建模中，码头中的土体单元采用六节点三角形平面单元，前墙、遮帘桩及锚锭墙混凝土结构采用连续墙进行模拟，钢系杆采用拉杆模拟。 FLAC模型中，土体单元为四边形结构，遮帘桩、前墙及锚锭墙均采用结构单元Beam来模拟。由于在FLAC中没有专门的杆单元，因此采用锚索Cable单元来模拟拉杆，在建模的时候Cable单元与Pile单元采用共节点处理，考虑砂土与钢拉杆之间的摩擦，软件输入摩擦角28°。三种程序均考虑了砂土与钢拉杆的摩擦力。模型的边界条件为左右侧为水平约束，上端为自由边界，底部固定。有限元模型见图2。

3.4 模拟计算及结果

南京水利科学研究院组织的现场监测期间，水位位于1 m～2 m之间，为了便于与监测数据分析对比，本次模拟工况水位取正常水位线0.27 m以上1 m作为水位取值。计算结果见表2。

表2 结构受力及变形计算结果

从计算结果看，三种有限元程序计算结果总体趋势上是一致的，但量程上有一定的差异。总体来讲，ANSYS与PLAXIS程序计算结果比较接近。前墙弯矩ANSYS及PLAXIS程序计算值较FLAC要大，桩上弯矩FLAC计算结果比前二种程序要大。拉杆力ANSYS计算结果与FLAC计算结果比较接近。由于实际工程中弹性模量一般不易精确测量，而弹性模量取值对位移影响很大，从目前给定的土体弹性模量计算结果来看，锚锭点位移ANSYS及PLAXIS计算值偏大，如果砂土弹性模量提高，锚锭点位移则相应会减少。从我们以往对三种程序计算的情况来看，同样的算例常常是ANSYS及PLAXIS算出的位移要大于FLAC算出的位移。三种有限元软件计算的前墙、遮帘桩及锚锭墙弯矩分布见图3～图5。其中ANSYS中规定正弯矩在右面，而其他两个程序正弯矩在左边。

3.5 码头原型观测

南京水利科学研究院组织相关人员对码头进行了现场观测。码头原型观测共布置了3个断面，编号分别为2号，3号，4号。观测期间潮水位一般介于1.0 m～2.0 m之间。观测结果见表3。

比较软件计算结果与监测值，前墙的弯矩相差较大，但我们分析在前墙临空情况下，正弯矩应大于负弯矩，所以我们认为计算结果应该是正确的。遮帘桩弯矩与监测比较接近，拉杆力与监测相差不大，2号断面监测与ANSYS计算拉杆力相近，锚锭点位移软件计算结果均较监测值要大，这与选取的弹性模量有关，且由于计算结果与监测值最接近，因此推荐使用二维ANSYS软件来进行计算。

4 结语

遮帘式板桩码头结构为近年来发展起来的一种新型结构，无公认的合理的常规方法。本文通过PLAXIS，ANSYS及FLAC三种不同有限元软件分别对该种结构作了二维计算，从计算结果看ANSYS及PLAXIS比较接近，其计算前墙弯矩比FLAC计算结果偏大，桩上正弯矩FLAC计算结果要比前二者大。通过监测数据与三种计算软件相比较，ANSYS软件与其最为接近，但有限元程序锚锭点位移计算结果比监测值稍大，这与弹性模量值选取有关，可应用于实际工程设计，着重推荐ANSYS软件作为此类码头工程设计计算软件。