MIDAS CIVIL 软件在高桩码头结构内力分析中的应用

摘要：本文简要介绍了MIDAS CIVIL软件，并以某港高桩码头为例，采用有限元软件MIDAS CIVIL对高桩码头进行三维整体有限元建模，并对不同荷载工况作用下的码头整体结构的受力情况进行分析，获得了较为准确合理的计算结果，可以作为码头设计工作的参考。

关键词：高桩码头；MIDAS；结构设计；

中图分类号：U656文献标识码： A

1.前言

高桩码头是港口工程结构中最普遍的码头结构型式之一，它以构件受力明确合理，材料用量较少，装配程度高，施工速度快等优点，目前得到了广泛采用[1]。传统方法是将码头简化为二维平面结构，同时空间荷载通过分配系数等方法作用于简化断面。由于码头面荷载较复杂多变，且存在移动荷载，传统方法存在一定局限性。随着计算机技术的发展，越来越多三维有限元软件开始应用于港口工程，例如ANSYS、LUSAS、MIDAS等。其中MIDAS CIVIL是一款通用的有限元软件，适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、机场、大坝、港口等结构的分析与设计[2]。MIDAS CIVIL主要有以下特点：

提供菜单、表格、文本、导入CAD和部分其他程序文件等灵活多样的建模功能，并尽可能使鼠标在画面上的移动量达到最少，从而使用户的工作效率达到最高；

提供桁架、一般梁/变截面梁、平面应力/平面应变、只受拉/只受压、间隙、钩、索、加劲板轴对称、板（厚板/薄板、面内/面外厚度、正交各向异向）、实体单元（六面体、楔形、四面体）等工程实际时所需的各种有限元模型；

可以输出各种反力、位移、内力和应力的图形、表格和文本。提供静力和动力分析的动画文件；提供移动荷载追踪器的功能，可找出指定单元发生最大内力（位移等）时，移动荷载作用的位置；提供局部方向内力的合力功能，可将板单元或实体单元上任意位置的接点力组合成内力。

2.工程概况

2.1.工程简介

某工程码头通过长135m，宽8.5m的引桥与电厂厂区相接。平直段引桥长90m，靠近电厂南护岸的45m引桥从高程6.7m放坡至高程4.83m，坡度为4.16%，引桥与电厂取水口基槽坡顶距离超过50m。引桥上输煤栈桥的基础布置在接岸引桥的西侧，占用引桥宽度4m（引桥上的输煤栈桥宽5m，栈桥西侧外轮廓飘出引桥1m布置）；引桥上的行车道布置在接岸引桥的东侧，宽4.5m。

2.2.结构方案

本项目为栈桥式码头，若采用重力墩式结构，需要专门的预制场且施工工艺复杂，根据邻近工程项目的经验，考虑采用桩基础高桩梁板结构。预制预应力混凝土PHC管桩耐锤击性能和穿透能力较差，施工速度较慢；桩自重较大，考虑稳桩要求，桩的斜度较小，对承受水平力不利；沉桩过程中桩身受力较大，如控制不好容易产生混凝土开裂。而钢管桩抗弯能力高，对复杂荷载的适应能力强；钢管桩自重轻，沉桩稳定性好；钢管桩耐锤击性能和穿透能力强，施工速度快，可靠性高。根据工程地质勘察报告，工程区土层自上而下大致可分为淤泥混砂、粉质粘土和珊瑚碎屑、粘性土及砂混粘性土胶结层及岩层，砂混粘性土胶结层具有较高的强度，标贯击数很高，沉桩时存在较大困难。考虑邻近项目有钢管桩沉桩的成功经验，因此桩基础采用钢管桩。

码头平台长230m，宽25m，码头面顶高程为6.7m（不含磨耗层厚度），港池底标高为-13.7m，泊位端部设置10x8m系缆墩，通过钢引桥与平台相接。码头平台为高桩梁板式结构，共两个结构段，两端采用悬臂梁板结构。码头桩台由基桩、上部梁板结构组成。每榀排架设1对半叉桩、2根单直桩及1对叉桩，共6根桩，排架间距为9.6m。码头前沿侧轨道梁下采用1对半叉桩（斜桩斜率为4:1），横梁中间采用2根单直桩，后侧轨道梁采用1对4:1叉桩。桩基均为直径1000mm钢管桩。桩顶接入现浇下横梁。码头上部结构为正交梁板体系，横梁为现浇C45钢筋混凝土倒T形梁，下横梁高1.3m，宽2.0m，上横梁高2m，宽1.0m。轨道梁采用C45混凝土叠合结构，宽度为1.2m，高度为2.5m，预制部分高度为2.05m。纵梁采用C40混凝土叠合结构，宽度为0.7m，高度为2.0m，预制部分高度为1.55m。面板为混凝土叠合板，预制板厚度为0.3m，现浇面层厚度为0.15m，面层顶面设现浇磨耗层，磨耗层最小厚度为50mm。码头安装SUC1150两鼓一板标准型鼓型橡胶护舷、1000kN系船柱和QU100钢轨。系缆墩为C40现浇墩台结构，长8m，宽10m，厚2m。桩基采用6根直径1000mm钢管桩。码头断面如图1所示。

图1码头结构断面图

3.建模

3.1.模型建立

高桩码头采用国际通用有限元软件MIDAS CIVIL进行整体建模分析，码头面板采用板单元模拟，纵梁、横梁和桩基均采用梁单元模拟。桩基和土体相互作用采用MIDAS CIVIL自带的弹簧约束(线性弹簧)进行模拟，在泥面以下的基桩每隔0.5m设一个节点，每个节点处利用局部坐标设置两个相互垂直的弹簧，不同的土层及深度采用不同的弹簧刚度，模拟水平力或力矩荷载作用下桩土相互作用，桩尖处设置为铰接，分析模型图2所示。

图2 高桩码头三维分析模型

MIDAS CIVIL是一款通用有限元软件，该软件内置的移动荷载模块能方便定义移动荷载布置并指定行走路径。因此，该软件也很适合运用于高桩码头的结构内力分析计算。

3.2.荷载工况

1自重

码头纵横梁、面板等结构自重，由软件根据结构尺寸和材料容重自动计算。

2均布活载

根据《港口工程荷载规范》，码头面均布荷载为20kN/m2。

3撞击力

根据船舶荷载计算结果，采用SUC1150两鼓一板标准反力橡胶护舷，一鼓橡胶护舷最大反力626KN。船舶靠岸时同时撞击2个鼓，因此橡胶护舷反力为626×2=1252，考虑2个排架同时受力，受力排架为第一个和第三个。

4 系缆力

系缆力标准值为1000kN。系船缆夹角α、β参照港口工程荷载规范取α=30°β=15°系缆力标准值为各投影分量为:

Nx=Nsinαcosβ=483（kN）

Ny=Ncosαcosβ=836.11 (kN)

Nz=Nsinβ=259(kN)

2.4 波浪力

所受波浪力分为以下三部分：①波浪对桩基作用P1；②波浪对码头正面横梁、靠船构件作用③波浪对上部结构浮托力。

2.5 卸船机

码头前沿配2台1250t/h桥式抓斗卸船机，卸船机4个腿，每腿8轮，基距18m，轨距20m。工作状态：海侧轨最大轮压500KN/轮，陆侧轨最大轮压460KN/轮；非工作状态：海侧轨最大轮压470KN/轮，陆侧轨最大轮压510KN/轮。海侧轨中心线距码头前沿线3m。

3.3.工况组合

（1）永久作用+卸船机（工作状态）+堆货+系缆+柱脚荷载

（2）永久作用+卸船机（工作状态）+堆货+挤靠+柱脚荷载

（3）永久作用+系缆

（4）永久作用+撞击

（5）永久作用+卸船机（非工作状态）+极端波浪

（6）永久作用+极端波浪计算结果

4.分析结果

将上述的各种荷载及工况组合况输入MIDAS CIVIL建立的三维模型中，采用运行分析模块对码头整体结构进行数值分析，计算结果见表1。计算结果显示桩力分配较为均匀合理，各结构部分内力均在承载能力范围之内，满足使用要求，并在原方案基础上优化了桩长。采用三维有限元模型对各个构件进行数值分析得到的计算结果更为直观，便于判断也更为合理，可以提高设计效率。

表1 主要内力计算结果表

5.结论

通过以上分析，可以得出以下结论：

1. 有限元分析技术是许多结构设计和分析应用较多的方法之一，采用三维有限元模型对高桩码头进行结构内力分析，可以提高设计效率，得到的结构内力值更为准确合理；

2、应用实践表明，MIDAS CIVIL 在高桩码头内力分析中是可行的，计算结果较为合理可信，从而验证了MIDAS CIVIL 的适用性。在计算模拟过程中MIDAS具有灵活性强、用户界面直观、输入输出方便、不容易出错等优点，友好的交互式图形界面可实现所有的建模和后处理功能。虽然midas civil是一款主要针对桥梁工程的软件，但同样适用于港口工程。

参考文献

[1]邱驹主编. 港口水工建筑物[M]. 天津: 天津大学出版社, 2002.

[2]桥梁工程软件 midas civil 使用指南 [M]. 北京: 人民交通出版社, 2013.