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高桩码头端部悬臂板受力分析

2023-04-13宁庆臣马煜佳

中国水运 2023年3期
关键词:纵梁悬臂内力

宁庆臣,马煜佳

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东 广州 510000)

1 引言

高桩码头是一种典型的码头结构型式,其主要由码头面板、纵梁、横梁、桩基组成。现行的《码头结构设计规范》(JTS 167—2018)[1]中码头面板根据其支撑状态及长宽比分为单向板或双向板进行计算,但对于高桩码头一个结构段两端的悬臂板,规范中未明确其受力计算方法。在实际工程中,对于结构段两端的悬臂板设计人员多按照悬臂板受力进行计算,有时也按照《建筑结构静力计算手册》中三边固定一边自由的板进行计算[2]。

按照悬臂板受力进行计算时,忽略了纵梁刚度对板约束的影响,其计算结果中只能算的悬臂板根部顶部沿纵梁方向的弯矩My0。而悬臂板底部两个方向因无计算结果,一般只能参照顶部配筋进行构造配筋,承受均布荷载时,横向分布钢筋不少于主筋15%,承受集中荷载时,横向分布钢筋根据宽跨比不同,横向分布钢筋不少于主筋的20%~35%不等[3]。

按照三边固定一边自由的板计算时,即假定横梁和纵梁对板的约束均为固定约束,最外侧为自由边,如图1所示,其计算结果可以算的横梁约束处顶部沿纵梁方向弯矩My0,纵梁约束处弯矩Mx0,板中心处弯矩Mx、My,自由边沿横梁方向跨中弯矩M0x、支座弯矩Mxz0。由于横梁和纵梁截面尺度相差较大,其刚度差异会更大,以横梁对板的约束能力作为比较,纵梁对板的约束能力会大幅减小,即梁和板的刚度之比对面板内力影响较大[4],故按照三边固定一边自由的板计算也存在一定的局限性。

图1 三边固定一边自由板示意图

本文以某高桩框架码头为例,采用常规悬臂板计算方法、三边固定一边自由计算方法以及MIDAS 有限元软件对码头端部悬臂段面板进行计算,对比分析常规算法和有限元算法下面板内力分布,并探讨纵梁间距、纵梁刚度对高桩码头悬臂板内力的影响,研究成果对高桩码头面板结构设计具有一定的指导意义。

2 工程概况

某码头采用高桩框架结构,码头面宽度25m,纵梁间距3.0m(3.2m),单个结构段长度36.5m,结构段两端悬臂长2m,排架间距6.5m。码头结构断面图如图2所示。

图2 码头结构断面图

码头设计荷载:①恒载:结构自重;②均布荷载:40kpa;③70t 汽车式起重机打支腿作业,最大支腿荷载424kN,作用面积大小0.6×0.6m。

3 高桩码头悬臂板内力计算

3.1 计算方法

方法一:“悬臂板”,即按照悬臂板计算,可以算的悬臂板根部顶部沿纵梁方向的弯矩My0。

方法二:“三边固定一边自由板”,即按照三边固定一边自由的板计算[2],如图1-1 所示,可通过查表计算均布荷载作用下横梁约束处顶部沿纵梁方向弯矩My0,纵梁约束处弯矩Mx0,板中心处弯矩Mx、My,自由边沿横梁方向跨中弯矩M0x、支座弯矩Mxz0;局部均载(支腿荷载)无相应表格查询,无计算结果。

方法三:“有限元(无纵梁)”,即采用有限元进行计算,根据上述工程案例采用MIDAS GTS NX 建立有限元模型,其中,面板采用板单元模拟,横梁采用梁单元模拟,桩基采用梁单元模拟,桩端按照嵌固点进行约束,不建立纵梁模型,验证方法一计算结果,计算结果中可根据设计需要提取任意部位内力。

方法四:“有限元(有纵梁)”,即采用有限元进行计算,根据上述工程案例采用MIDAS GTS NX 建立有限元模型如图3所示,其中面板采用板单元模拟,横梁、纵梁采用梁单元模拟,桩基采用梁单元模拟,桩端按照嵌固点进行约束,计算结果中可根据设计需要提取任意部位内力。

图3 码头悬臂板有限元模型

3.2 计算结果

计算结果中提取悬臂板主要部位的内力结果,计算结果详见表1。

表1 码头悬臂板内力计算结果 单位(kN·m)

3.3 计算结果分析

按照方法三、方法四,可提取任意部位内力,表1中提取了主要受力部位弯矩。

按照方法一,仅算出悬臂板根部顶部沿纵梁方向的弯矩My0,均载作用下最大弯矩为80.0kN·m,支腿荷载作用下最大弯矩为180.2kN·m;按照方法三计算结果分别为80.0kN·m、174.6kN·m,计算结果基本一致,说明方法一计算所得My0结果可靠;但方法三可计算求得宽度方向跨中弯矩M0x,如图4所示,悬臂板外缘单位宽度范围内平均弯矩约82.8kN·m,而方法一无法算得该部位弯矩。

图4 支腿荷载作用下悬臂板宽度方向跨中弯矩(M0x)计算结果

按照方法二,可计算得出均布荷载作用下主要受力部位弯矩,其最大弯矩30.6kN·m 是自由边沿横梁方向支座弯矩Mxz0,而相应有限元计算结果中最大弯矩32.7kN·m 是横梁约束处顶部沿纵梁方向弯矩My0,二者最大弯矩出现部位不同,且同一部位计算结果也有差异。主要原因是“三边固定一边自由板”中认为横梁和纵梁对面板的约束效应是一样的,而有限元模型中则能考虑梁的刚度,由于梁刚度不同而对面板的约束效应不同,导致方法二与方法四计算结果有差异。

方法一与方法四计算结果相比,结果差异也较大,且按照方法一无法算得顶部沿横梁方向弯矩(M0x、Mxz0),只能按照15%~35%主筋面积进行构造配筋。而通过有限元计算结果可知,沿横梁方向支座弯矩Mxz0约132.6kN·m,比沿纵梁方向弯矩My0约89.0kN·m还大,起控制作用,若按照构造配筋则不能满足承载力要求。因此高桩梁板码头悬臂板按照常规悬臂板计算方法存在一定缺陷。究其原因,主要是横梁、纵梁刚度比面板刚度大,对面板内力的分布产生较大影响。

4 纵梁刚度对悬臂板内力影响分析

为了研究横梁、纵梁刚度对面板内力的影响效应,码头按照2m、3m、4m、5m、6m、无穷大(即无纵梁)几种不同纵梁间距进行有限元计算,分析纵梁间距对高桩梁板码头悬臂板内力的影响,计算结果详见表2。

表2 不同纵梁间距下码头悬臂板内力计算结果 单位(kN·m)

以上计算结果中基于码头结构两端悬臂板长度L为2.0m,以纵梁间距B 与悬臂板长度L 之比作为x 轴,各部位弯矩为y 轴,各部位弯矩随B/L 变化如图5、图6所示。

图5 均布荷载作用下各部位弯矩随B/L 变化图

图6 支腿荷载作用下各部位弯矩随B/L 变化图

由图5及图6可以看出,在均布荷载和支腿荷载作用下,面板顶部沿纵梁方向弯矩My0均随纵梁间距变大而增大,当纵梁间距无限大即不考虑纵梁刚度影响时,弯矩则达到最大值,最大值分别为80 kN·m、174.6 kN·m,其变化规律与纵梁刚度对面板约束效果一致。

悬臂板自由边沿横梁方向支座弯矩Mxz0随纵梁间距变大而增大,均载作用下,纵梁相当于面板的支座,纵梁间距越大即跨度越大,故沿横梁方向支座弯矩也有逐渐变大趋势。而在支腿荷载作用下,悬臂板自由边沿横梁方向跨中弯矩M0x和支座弯矩Mxz0无明显变化规律,该部位面板受力可简单看做是三边固定一边自由板,受悬臂端长度、纵梁间距、横梁与纵梁刚度等因素影响,难以给出极值出现位置。

5 结论

通过上文对高桩码头悬臂板内力的分析,可得出以下结论:

(1)按照常规“悬臂板”计算方法计算所得悬臂板顶部沿纵梁方向弯矩My0结果可信,满足该方向结构设计要求。

(2)常规“悬臂板”计算方法无法算得悬臂板自由边沿横梁方向跨中弯矩M0x和支座弯矩Mxz0,而该部位弯矩对面板配筋起控制作用,结构设计中对此部位应特别注意,建议采用有限元进行计算。

(3)悬臂板自由边沿横梁方向跨中弯矩M0x和支座弯矩Mxz0,受纵梁跨度、横梁刚度、纵梁刚度等因素影响,其最大值出现位置还需进一步研究。

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