高桩梁板码头横梁弯矩计算对比研究

邓智中1，吕天舒1

1.中交第二航务工程局有限公司设计研究院  水运设计院  武汉 430056

摘要：

为了研究易工及迈达斯软件对横梁计算的可靠度，分别采用两者对高桩梁板码头进行建模计算，两个模型的误差在不同工况下有所不同。在输入条件准确的情况下，两种软件都能较为准确的计算横梁的内力。但易工软件建模快捷准确，推荐使用易工对码头进行计算。

关键词：高桩码头；横梁；物理模型；

1引言

高桩码头具有良好的承载能力和稳定性，普遍在港口工程中使用[1]。高桩码头通常由上部结构、桩基、挡土结构、岸坡以及码头上的各种设备组成[2]。其中上部结构通常由横梁、纵梁、板、面层铺装等结构组成，而横梁是连接上部纵梁及下部桩基的重要结构，其设计的合理性直接影响整个码头的安全性与适用性。其中码头横梁大多数采用倒T形截面，也有部分采用矩形截面形式。

在码头结构中，横梁不仅要受到上部由纵梁和面板传递下来的荷载，如门机荷载、人群荷载、平板车荷载、起吊机荷载等；还需要受到来自靠船构件传递而来的船舶荷载，如船舶系揽力、船舶撞击力以及船舶挤靠力；此外，还可能直接受到结构自重、风荷载、水流力等自然荷载。因此，横梁是受力最复杂的构件之一。

不用的工况组合对其的弯矩的分布情况也有巨大的差别。在设计工作中需要正确分析横梁的受力形式，并对弯矩分布进行准确的计算，才能在设计出满足码头使用要求并且经济的结构。

据调查，在码头结构计算中，上海易工有限公司出版的上海易工软件和迈达斯软件[3]较为常用。本文采用易工软件及迈达斯软件分别对码头结构进行计算，并比较分析了两种软件的计算结果。

2模型建立

对于高桩码头结构形式，参考近期设计的高桩码头项目，选取较为标准通用的高桩梁板码头结构形式，结构安全等级为二级，码头一共8榀排架，排架间距6米，每榀排架下设4根桩，两根直径600的预应力高强度混凝土管桩型直桩，以及两根直径600的预应力高强度混凝土管桩型斜桩。斜度为4，转角均为18度。横梁混凝土采用C40。码头顶面标高7米，码头前沿泥面标高为负8米。设计高水位3米。设计低水位为1米。

码头宽度与横梁长度均为12米，其中第一段横梁长度为3米，截面高度为3.5米，宽度为1.2米。第二段横梁长度为9米，截面高度为2.5米，宽度为1.2米，两段横梁均采用倒T型结构形式，两种横梁的倒T型顶面均为0.6米。纵梁采用双牛腿截面形式，截面总宽度为0.7米，截面总高度为1.5米。面板预制部分厚度200毫米，面板现浇部分厚度150毫米，面板磨耗层厚30毫米。

地层一共分为5层，第一层为粉质黏土，层底高程为负10米，平均厚度2米；第二层为淤泥质土，层底高程为负12米，平均厚度2米；第三层为粉质黏土夹粉砂，层低高程为负16米，平均厚度4米；第四层为粉质黏土加碎石，层底高程为负23米，平均厚度7米；第五层为泥岩，层底高程为负50米，平均厚度27米。各个土层的参数如下表1所示。

表1码头工程土层参数表

土层名称	桩的极限侧阻力标椎（千帕）	桩的极限端阻力标椎（千帕）
粉质黏土	15
淤泥质土	18
粉质黏土夹粉砂	24
粉质黏土加碎石	25
泥岩	90	4400

本次计算考虑的荷载为：均载20千牛每平方米，人群荷载3千牛每平方米，船舶系缆力300千牛，船舶撞击力500千牛。采用承载能力极限状态持久组合，其中荷载的作用分项系数按照港口工程荷载规范中规定进行选取。

根据码头结构形式分别使用易工软件以及迈达斯软件中进行排架模型建立，并将上述荷载添加在模型上，计算并得到结果。

3模型结果及分析

根据上述两种软件的计算结果，可以得到各工况下横梁不利断面的跨中和支座弯矩计算结果如表2和表3所示。需要注意船舶系揽力与船舶撞击力为冲突荷载，不能同时作用在码头结构之上。

表2  易工模型计算结果表

序号	跨中弯矩值 （KN.m）	支座弯矩值（KN.m）	工况组合
1	612	86	工况一：①+②
2	701	64	工况二：①+②+③
3	795	209	工况三：①+②+④

表3  迈达斯模型计算结果表

序号	跨中弯矩值 （KN.m）	支座弯矩值（KN.m）	工况组合
1	609	86	工况一：①+②
2	738	70	工况二：①+②+③
3	845	238	工况三；①+②+④

注：表中①表示均载，②表示人群荷载，③表示船舶系揽力，④表示船舶撞击力。

根据上述的计算结果可以对比得到两个模型的最大的差值如下表4所示。

表4  两种模型计算结果对比表

弯矩位置	工况	迈达斯模型	易工模型	差值	百分比
跨中弯矩（KN.m）	工况一	609	612	4	0.6
	工况二	738	701	37	5.3
	工况三	846	795	51	6.4
支座弯矩（KN.m）	工况一	86	86	0.4	0.5
	工况二	70	64	6	10
	工况三	238	209	29	14

从两种模型的计算结果可以看出，在工况一下，两种软件的计算结果基本一致，在工况二和工况三的误差相对较大，为百分之十左右，分析得出，误差主要来源于船舶撞击与船舶系缆，在易工软件中，不同排架是通过不用的排架作用系数进行分配，而迈达斯模型是通过作用点进行平均分配，研究发现，迈达斯在不同的排架上采取易工软件的分配系数，两个软件的计算模型可以实现较小的误差。根据易工的排架分配系数最终可以将船舶荷载的误差缩减到百分之二左右，由此可以证明迈达斯软件和易工软件都能较为准确的得出横梁的计算结果，在设计的精确度方面考虑，两种软件都可以作为设计的最终成果进行使用。

可以得知，迈达斯是一款三维受力的软件，而易工虽然视图为三维，但是其本层逻辑还是为二维平面计算，计算中或多或少存在着一些缺陷，但是经过这么多年的发展，易工软件已经可以为设计提供较为可靠的数据。但是三维还是今后发展的大趋势，值得更加深入的探索与发掘。

此外，在模型建立过程中，易工软件中边界条件、荷载施加、结构断面的建立难度远远低于迈达斯模型建立的难度。但是较为简单的易工模型中省略了较多码头工作原理的思考和分析，建议在对模型原理不够明确的情况下，可以用迈达斯软件等其它软件对码头进行更加细致的分析与学习。

4结论

通过对两种软件的高桩码头模型建立和横梁计算结果的对比分析可知，在边界条件和参数输正确的情况下，两种软件的弯矩计算结果在不同工况下有着不一样的误差，在不受船舶荷载时，两种软件的误差仅为百分之零点五，由于对船舶荷载在不同排架的分布方式考虑有所差别，两个模型还是存在这一定的误差，其中易工软件中船舶荷载的分配方式较为合理。因此在高桩码头的横梁计算中，本文建议主要以易工软件的计算结果作为设计的依据。

5展望

本文用易工与迈达斯两种模型对高桩梁板的模型进行的建模分析，在建模软件高速发展的今天，还有一些其它的计算软件可以对码头进行计算，如BIM、有限元[4]等软件。此外，高桩码头的其它构件，如桩、面板、纵梁、轨道梁等，这些构件同样具有重要的研究价值。同时，本次模型只研究了比较有代表性的船舶荷载，对于码头上还会受到诸如门机、平板车、吊车等机械设备的荷载。在不同机械作用下的横梁的受力情况，同样值得用不同的软件对其展开更加深入的研究。

参考文献：

[1]周洋.内河高桩梁板式码头结构耐久性分析及工程应用[D].重庆交通大学,2015.

[2]张汉军.高桩梁板式码头上横梁裂缝预防措施及修补方法[J].中国水运:下半月,2022,22(2):3.

[3]卓杨.高桩码头桩梁节点连接形式对其受力状态的影响[J].水运工程, 2015(7):76-80.

[4]蔡波.BIM技术在高桩码头设计阶段的应用[J].水运工程,2021.