游艇码头联系桥结构计算与有限元分析

刘扬勇，李婷，于晓岩，常聪聪

（中交四航局港湾工程设计院有限公司，广东 广州 510000）

近年来，随着我国旅游业和游艇产业的蓬勃发展，人们对游艇码头的需求日益增长，游艇码头的建设也呈现飞速发展的态势。目前，国内游艇码头以浮桥结构为主，由于陆地或者固定码头与浮桥结构之间通常存在一定高差，且浮桥高程会随着水位的变化而变化，因此通常采用一端支承在岸，另一端通过滚轮支座连接浮桥的联系桥结构，实现从陆地到浮桥的连通衔接。

目前，国内有关游艇码头的文献大部分侧重定位桩、浮桥结构、平面布置、选址布局等方面的研究，关于游艇码头联系桥方面的研究尚少。例如，魏志民[1]对联系桥结构及设计优化的进行了探讨及研究，但文中未涉及联系桥结构的内力计算及分析。本文以某游艇码头工程为例，利用MIDAS 有限元分析软件对联系桥的结构受力进行详细计算及分析，探讨联系桥各构件的受力特征并分析不同荷载组合对结构的影响，为类似工程设计提供参考依据。

1 工程概况

某码头工程联系桥长16m、宽2m，最低通航水位时坡度为1：4，一端通过转动支座固定在过渡墩台，另一端通过带限位轨道的滚轮支座放置于浮桥，其平、立面见图1、2。

图2 联系桥结构立面图

联系桥由纵梁、端梁、纵梁制安、龙骨、面板、扶手栏杆及各连接件通过螺栓或者焊接组成。为了减轻自重，联系桥材料采用铝合金，虽然铝合金单价比钢材贵，但其密度大小约是钢材三分之一左右，因此相同体积的铝合金价格与钢材相差不大。同时，铝合金与钢材相比，有着更易加工与维修、耐腐蚀性能更好、且更美观等优点，因此常用于长度为10～20m 的游艇码头联系桥结构[1]。

2 模型建立

2.1 材料参数

主梁及扶手结构均采用牌号6063-T6 的铝合金型材，桥面铺设防腐、防滑木板。铝合金的主要物理性能指标见表1，构件规格参数见表2。

表1 铝合金的主要物理性能指标表

表2 构件规格参数表

2.2 荷载条件

联系桥主要承受桥自重、桥面的人群荷载及作用在桥侧面的水平向风荷载。根据《游艇码头设计规范》（JTS 165-7-2014）[2]规定，联系桥结构设计人群荷载标准值取为4kpa。

根据《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[3]，风荷载标准值应按下式计算:

在式中，WK为风荷载标准值（kpa）；为风荷载体型系数，按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[4]规定，联系桥结构本文按2 榀平行桁架计算；为风压高度变化系数；为基本风压（kpa）。

2.3 计算荷载组合

（1）1.2×自重。

（2）1.2×自重+1.4×人群荷载。

（3）1.2×自重+1.4×人群荷载+1.4×风荷载。

2.4 模型简述

（1）联系桥主梁及扶手结构均采用等效的梁单元模拟，桥面采用等效的板单元模拟。各梁单元间采用弹性连接，板单元与梁单元间也采用弹性连接，模拟各部件之间的相互作用。由于联系桥一端可自由转动，另一端可自由转动和移动，故支承条件视为铰接。

（2）联系桥所受人群荷载等效为桥面板单元上的压力面荷载，风荷载等效为联系桥一侧梁单元上的均布压力荷载。

（3）根据以上模型构建思路，基于MIDAS 有限元软件建立整个联系桥的三维模型见图3。

图3 联系桥三维模型示意图

3 计算结果及分析

3.1 强度计算

联系桥各构件的内力、应力计算结果见表3。

表3 联系桥构件计算结果表

3.2 整体稳定性计算

联系桥各构件除了应满足强度要求外，还应满足整体稳定性要求。根据《铝及铝合金结构设计规范》（GB50429-2007）[5]，在最大刚度平面内，受弯构件整体稳定性应满足：

在式中，MX为绕强轴作用的最大弯矩；为受弯构件的整体稳定系数；WCX为对强轴受压边缘的有效截面模量。

轴心受压（受拉）构件整体稳定性应满足：

压弯构件整体稳定性应满足：

根据表3 的计算结果，联系桥纵梁方通构件承受的弯矩计算值最大，扶手方通承受的轴力计算值最大，故对其整体稳定性进行计算，结果见表4。

表4 联系桥整体稳定性计算结果表(MPa)

3.3 挠度计算

根据《铝合金结构设计规范》（GB50429-2007），主体结构的构件的挠度容许值为l/250，其中l 为跨度或者支点间距离。联系桥结构最大挠度值为0.037m<16/250=0.064m，挠度设计值小于允许值，满足挠度允许要求。

3.4 结果分析

根据验算结果得知，联系桥构件强度、整体稳定性及构件变形均满足规范要求，联系桥各构件的组合应力云图见图4。不难看出，扶手方通的组合应力最大，主要是由于构件变形条件约束导致轴力作用较大，其截面尺寸较小，故应力最大。而纵梁方通跨度最大，承受的弯矩作用也最大，是联系桥自重及人群荷载作用的结果，但设计截面较大，故应力较小；从结构安全设计角度考虑，主梁的应力较小将使得结构整体更可靠。同时纵梁制安的存在减小了纵梁的跨中最大弯矩，因此本工程在两根纵梁方通之间设置的众多纵梁制安构件是合理的。

图4 联系桥各构件的组合应力云图

以纵梁方通的计算结果为例，三个荷载组合下的应力计算结果见图5。可知，人群荷载是影响联系桥结构强度安全和整体稳定的主导控制荷载，风荷载对结构的影响较小。原因在于联系桥风荷载标准值计算中风荷载体型系数按照2 榀桁架计算，加之风压高度变化系数也不大导致最终计算的风荷载标准值较人群荷载小很多。同时风压作用面太小，联系桥整体受风荷载作用影响不大。因此，在一般接近地面高程且基本风压不大的类似工程中，联系桥的设计可忽略风荷载的影响。

图5 纵梁方通构件在不同荷载组合下的应力对比图

关于联系桥结构的紧固件连接强度、焊缝强度及临近焊缝的铝合金构件焊接热影响区强度，读者应根据实际工程需求，按照《铝合金结构设计规范》（GB50429-2007）相关规定进行计算。

4 结语

本文利用MIDAS 有限元分析软件对游艇码头联系桥结构内力进行详细分析计算，按照《铝合金结构设计规范》对联系桥构件强度、整体稳定性及变形要求进行验算，验算结果符合规定。通过对联系桥各构件的受力特征分析，总结联系桥的主要受力构件及不同荷载对结构稳定的影响，对联系桥结构的设计有积极的指导意义。