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三种有限元软件在板桩码头结构计算中的应用研究

2018-09-27

山西建筑 2018年24期
关键词:拉杆计算结果弯矩

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。

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