Midas在坐床式圆筒码头垫板内力分析中的应用

关键词：Midas软件 坐床式圆筒码头 预制垫板 内力分析 

　　1.引言 

　　在坐床式圆筒码头设计中，预制垫板的内力计算对结构配筋起着决定性的作用。依据现行《重力式码头设计与施工规范》（JTS167-2-2009）的规定：“预制胸墙垫板的内力可按两端悬臂的简支板计算，悬臂计算长度可采用板宽1/2处的悬臂长度，如图1所示。”规范中仅规定了胸墙位置有垫板的情况下垫板内力的计算方法，但是并未提出如果整个圆筒顶部都有垫板兼做卸荷板时，预制垫板内力应该如何计算，如果还是按照两端悬臂的简支板计算，显然内力计算结果是偏大的。 

　　本文结合某坐床式圆筒码头工程实例，在整个圆筒顶部都有垫板兼做卸荷板的情况下，采用Midas/Civil软件建模对预制垫板的内力进行计算，最后结合《建筑结构静力计算手册》（第二版）（以下简称《手册》）进行验证，提出该种情况下预制垫板内力计算的解决方法。 

　　2.工程简介 

　　本工程码头结构采用坐床式圆筒结构，按30000GT客船设计。圆筒上部为预制垫板，强度等级为C40，垫板沿码头方向长度9.32m，悬臂长度1.50m，宽度10.0m，厚度1.0m，垫板与圆筒之间设置碎石倒滤层并在其上铺设土工布。垫板上部为现浇胸墙，后方回填中粗砂。结构断面见图2。 

　　结构荷载分为永久作用和可变作用，其中永久作用为结构自重：混凝土γ砼=25kN/m3，回填中粗砂γ砂=185kN/m3，可变作用为码头面均布荷载q=20kPa。 

　　（1）建模：首先定义预制垫板的材料和截面特性，材料选取C40混凝土。然后建立一个9.32m×10m×1m的板，将板分割为板单元。 

　　（2）边界条件：由于预制垫板直接搁置在圆筒顶部，所以沿圆筒圆周使用一般支承输入边界条件，将圆周节点的Dx，Dz，Dy自由度约束。 

　　（3）静力荷载：本工程预制垫板的荷载包括垫板本身的自重、胸墙的荷载、回填砂的荷载和码头面的均布荷载，先定义荷载工况，然后使用静力荷载中的自重和压力荷载功能输入模型的荷载。 

　　（4）运行结构分析：建立板单元、输入边界条件和荷载后，即可运行结构分析。 

　　（5）查看分析结果：本文主要计算垫板在承载能力极限状态下的弯矩，具体表达式如下： 

　　根据弹性力学的理论，如果板的厚度t远小于中面的最小尺寸b（例如小于b/8至b/5），这个板就成为薄板[3]。本工程垫板t/b=1/9.32，而且钢筋混凝土结构具有相当的弯曲刚度，故可以按照弹性薄板小挠度理论计算。另外，由于《手册》给出的都是轴对称的圆形板的计算公式及弯矩系数，本工程下部支承为圆形但是垫板却为矩形且前后悬臂不一样，所以对结构做了一些简化及近似处理，利用图5的两个计算简图进行叠加，最后得到预制垫板沿x轴方向及沿y轴方向的弯矩。 

　　3 .  计算结果对比分析 

　　采用以上两种方法分别对预制垫板的内力进行了计算，计算结果见表1。 

　　本文根据《手册》的弹性薄板小挠度理论，采用结构简化处理近似计算了预制垫板的内力，其计算结果与Midas/ Civil软件计算结果相差不大。但是，相比之下，Midas/Civil软件的参数化输入设计更具优越性，计算结果更具准确性。 

　　4.结论 

　　（1）对于这种边界条件为非常规支承的结构，借助有限元软件建模分析，通过Midas/Civil软件的后处理功能可以使计算结果以图形的形式表现出来，使构件的内力分布情况更加直观、准确。在构件的配筋计算中，可以根据内力分布情况在构件跨中位置的底部及支座位置的顶部适当加密钢筋，使配筋更趋经济合理。 

　　（2）建议现行规范中增加整个圆筒顶部都有垫板兼做卸荷板的情况下预制垫板内力的计算方法，引入弹性力学中的弹性薄板小挠度弯曲理论。 

　　（3）本文只是计算了在自重和码头面均布荷载作用下预制垫板的内力，如果码头荷载作用复杂，采用理论计算显然是十分困难的，所以在水工工程中引入有限元分析软件是十分必要的。 

　　参考文献： 

　　[1]JTS167-2-2009重力式码头设计与施工规范[S]. 

　　[2]建筑结构静力计算手册编写组.建筑结构静力计算手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1998. 

　　[3]徐芝纶.弹性力学[M].北京：高等教育出版社，1990：247-249.