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摘 要：本文以重庆某框架式码头为例，利用有限元软件ANSYS建立空间三维模型，对其进行静力计算并得出单一荷载工况下不同构件的各单元力学响应值。结合MATLAB软件对这些力学响应值进行组合计算，整理出各构件的最不利荷载组合情况以及相应的内力值，大大提高了荷载组合计算的准确性和效率，为后期的结构优化提供依据并对同类型码头结构荷载组合计算具有一定指导意义。
关键词：框架式码头;ANSYS;MATLAB;荷载组合
中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0087-02
1工程概况
本文以重庆港忠县港区新生作业区一期码头工程为实例，工程建设地点为重庆市忠县新生镇，长江左岸，上游航道里程约438km。本工程主要新建7个5000吨级（水工兼顾10000吨级）的多用途泊位，前沿作业平台采用框架式桩基梁板结构，长度为1041m，宽度为30m，排架间距为8m，共140榀，每榀排架下设4根钻孔灌注桩。单个横向排架结构见图1所示。
2 计算参数的确定
2.1截面尺寸
依据码头设计图纸，选取一个结构分段，共5榀排架，两端悬臂均为1.6m，码头面板厚0.45m，其余构件尺寸见表1。
2.2计算荷载及工况
（1）永久作用：重力加速度取9.8m/s2;软件自动施加结构自重，共计一种工况。
（2）可变作用：按照《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）[1]进行计算。船舶系缆力作用位置与系船柱的实际布置位置一致，共计14种工况。船舶撞击力作用在临水侧的橡胶护舷上，共计94种工况。水流力根据撞击力、系缆力不同作用位置相对应的实际水位确定，共计14种工况。机械荷载考虑两个岸桥式起重机并机共同作业，按照每次移动1m的距离，共计68种工况。堆载简化考虑随机施加于每跨面板，共计31种工况。
3 静力计算及荷载组合计算
3.1有限元模型
选用SHELL181壳单元模拟码头面板，其余构件均采用BEAM189单元模拟，桩基在假想嵌固点约束所有自由度，有限元模型见图2所示。
3.2荷载组合
不同荷载工况按照《码头结构设计规范》（JTS167-2018）[2]进行荷载组合计算。根据实际情况可知撞击力和系缆力不能同时出现，因此共计8种荷载组合方式。结合不同荷载工况，产生的荷载组合方式多达=227664种，本文运用MATLAB编程，对这些工况进行组合计算，能够大大提高荷载组合计算的准确性和效率。
前排桩（单元编号1～196#）在撞擊力作用下荷载组合计算过程：
（1）利用ANSYS建立有限元模型，将各单一荷载工况施加在三维模型上并求解各个单元的力学响应值;
（2）通过APDL语言编程提取ANSYS中前排桩各单元在单一荷载工况下的力学响应值，批量输出为txt格式文件，txt文件中的第1列为单元号，第2列至最后一列为各单元在单一荷载工况作用下对应的内力值;
（3）第一步，利用MATLAB读取前排桩各单元在永久荷载这一工况下的第a列数值（2≤a≤13，包括轴力FX、弯矩MY和MZ、剪力SFZ和SFY等），存储为矩阵A196×1，第二步读取前排桩各单元在94种撞击力工况下的第a列数值，存储为矩阵B196×94，第三步读取前排桩各单元在14种水流力工况下的第a列数值，同时根据撞击力的作用位置扩展成一个196行94列的矩阵C196×94，第四步读取前排桩各单元在68种机械荷载工况下的第a列数值，存储为矩阵D196×68，第五步读取前排桩各单元在31种堆货荷载工况下的第a列数值，存储为矩阵E196×31;
（4）按照有撞击力参与的4种荷载组合方式，对矩阵A196×1、B196×94、C196×94、D196×68、E196×31进行计算，求取不同组合结果中的最大值和最小值，并记录其组合方式以及其对应的工况编号和单元位置。
系缆力情况下的荷载组合计算与撞击力计算方法相同，计算出8种荷载组合值之后，通过 计算结果 主导可变作用
-14762.57 堆载
-6950.70 撞击力
后排桩 轴力（kN） -10412.39 堆载
弯矩（kN·m） 3207.73 系缆力
轨道梁 弯矩（kN·m） 1181.33 机械荷载
剪力（kN） 1127.61 机械荷载
横梁 弯矩（kN·m） 2520.26 堆载
剪力（kN） -2248.58 堆载
钢靠船构件 弯矩（kN·m） 1451.13 撞击力
剪力（kN） 1625.08 撞击力
钢横撑 轴力（kN） -2104.25 撞击力
弯矩（kN·m） 1396.55 撞击力
荷载组合值、出现的单元编号及其荷载组合方式。
3.3计算结果
在承载能力极限状态下，经过MATLAB进行荷载组合计算得出结构主要受力构件的轴力、弯矩、剪力分量的最值及其对应的主导可变作用，见表2所示。
通过分析各构件的最不利力学响应值及其荷载组合方式，结论表明框架式码头受力状况较为复杂，起控制作用的工况类型较多。数据表明后排桩比前排桩的受力状况好，因此选取较小的桩基直径，能够减少施工难度、节约工程成本。钢横撑弯矩极值对应的应力比达到0.90，是由撞击力占主导可变作用而产生的，对应的组合方式为自重+撞击力94+水流力14+机械荷载23+堆载26。其原因主要是在低水位时撞击力发生在最底层的钢靠船构件处，水平荷载只能通过钢横撑进行传递，但由于该层的钢横撑没有与前排桩连成整体，所承受的水平荷载不能完全地向后面传递，造成应力集中在最底层的钢横撑与前排桩基的交点附近，结构整体受力不协调，结构有待进一步优化。
4 结语
由于框架式码头结构受力情况比较复杂，不同荷载工况对各构件产生的影响不尽相同。本文结合具体工程实例，详细介绍了基于ANSYS与MATLAB软件对不同荷载工况进行组合计算的方法步骤，该方法能够准确且高效地搜索出码头各构件内力的最不利荷载组合值、出现的单元编号以及其对应的荷载组合方式，为进一步优化受力构件尺寸以及结构型式提供依据。
参考文献：
[1] JTS144-1-2010，港口工程荷载规范[S].
[2] JTS167-2018，码头结构设计规范[S].
关键词：框架式码头;ANSYS;MATLAB;荷载组合
中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0087-02
1工程概况
本文以重庆港忠县港区新生作业区一期码头工程为实例，工程建设地点为重庆市忠县新生镇，长江左岸，上游航道里程约438km。本工程主要新建7个5000吨级（水工兼顾10000吨级）的多用途泊位，前沿作业平台采用框架式桩基梁板结构，长度为1041m，宽度为30m，排架间距为8m，共140榀，每榀排架下设4根钻孔灌注桩。单个横向排架结构见图1所示。
2 计算参数的确定
2.1截面尺寸
依据码头设计图纸，选取一个结构分段，共5榀排架，两端悬臂均为1.6m，码头面板厚0.45m，其余构件尺寸见表1。
2.2计算荷载及工况
（1）永久作用：重力加速度取9.8m/s2;软件自动施加结构自重，共计一种工况。
（2）可变作用：按照《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）[1]进行计算。船舶系缆力作用位置与系船柱的实际布置位置一致，共计14种工况。船舶撞击力作用在临水侧的橡胶护舷上，共计94种工况。水流力根据撞击力、系缆力不同作用位置相对应的实际水位确定，共计14种工况。机械荷载考虑两个岸桥式起重机并机共同作业，按照每次移动1m的距离，共计68种工况。堆载简化考虑随机施加于每跨面板，共计31种工况。
3 静力计算及荷载组合计算
3.1有限元模型
选用SHELL181壳单元模拟码头面板，其余构件均采用BEAM189单元模拟，桩基在假想嵌固点约束所有自由度，有限元模型见图2所示。
3.2荷载组合
不同荷载工况按照《码头结构设计规范》（JTS167-2018）[2]进行荷载组合计算。根据实际情况可知撞击力和系缆力不能同时出现，因此共计8种荷载组合方式。结合不同荷载工况，产生的荷载组合方式多达=227664种，本文运用MATLAB编程，对这些工况进行组合计算，能够大大提高荷载组合计算的准确性和效率。
前排桩（单元编号1～196#）在撞擊力作用下荷载组合计算过程：
（1）利用ANSYS建立有限元模型，将各单一荷载工况施加在三维模型上并求解各个单元的力学响应值;
（2）通过APDL语言编程提取ANSYS中前排桩各单元在单一荷载工况下的力学响应值，批量输出为txt格式文件，txt文件中的第1列为单元号，第2列至最后一列为各单元在单一荷载工况作用下对应的内力值;
（3）第一步，利用MATLAB读取前排桩各单元在永久荷载这一工况下的第a列数值（2≤a≤13，包括轴力FX、弯矩MY和MZ、剪力SFZ和SFY等），存储为矩阵A196×1，第二步读取前排桩各单元在94种撞击力工况下的第a列数值，存储为矩阵B196×94，第三步读取前排桩各单元在14种水流力工况下的第a列数值，同时根据撞击力的作用位置扩展成一个196行94列的矩阵C196×94，第四步读取前排桩各单元在68种机械荷载工况下的第a列数值，存储为矩阵D196×68，第五步读取前排桩各单元在31种堆货荷载工况下的第a列数值，存储为矩阵E196×31;
（4）按照有撞击力参与的4种荷载组合方式，对矩阵A196×1、B196×94、C196×94、D196×68、E196×31进行计算，求取不同组合结果中的最大值和最小值，并记录其组合方式以及其对应的工况编号和单元位置。
系缆力情况下的荷载组合计算与撞击力计算方法相同，计算出8种荷载组合值之后，通过 计算结果 主导可变作用
-14762.57 堆载
-6950.70 撞击力
后排桩 轴力（kN） -10412.39 堆载
弯矩（kN·m） 3207.73 系缆力
轨道梁 弯矩（kN·m） 1181.33 机械荷载
剪力（kN） 1127.61 机械荷载
横梁 弯矩（kN·m） 2520.26 堆载
剪力（kN） -2248.58 堆载
钢靠船构件 弯矩（kN·m） 1451.13 撞击力
剪力（kN） 1625.08 撞击力
钢横撑 轴力（kN） -2104.25 撞击力
弯矩（kN·m） 1396.55 撞击力
荷载组合值、出现的单元编号及其荷载组合方式。
3.3计算结果
在承载能力极限状态下，经过MATLAB进行荷载组合计算得出结构主要受力构件的轴力、弯矩、剪力分量的最值及其对应的主导可变作用，见表2所示。
通过分析各构件的最不利力学响应值及其荷载组合方式，结论表明框架式码头受力状况较为复杂，起控制作用的工况类型较多。数据表明后排桩比前排桩的受力状况好，因此选取较小的桩基直径，能够减少施工难度、节约工程成本。钢横撑弯矩极值对应的应力比达到0.90，是由撞击力占主导可变作用而产生的，对应的组合方式为自重+撞击力94+水流力14+机械荷载23+堆载26。其原因主要是在低水位时撞击力发生在最底层的钢靠船构件处，水平荷载只能通过钢横撑进行传递，但由于该层的钢横撑没有与前排桩连成整体，所承受的水平荷载不能完全地向后面传递，造成应力集中在最底层的钢横撑与前排桩基的交点附近，结构整体受力不协调，结构有待进一步优化。
4 结语
由于框架式码头结构受力情况比较复杂，不同荷载工况对各构件产生的影响不尽相同。本文结合具体工程实例，详细介绍了基于ANSYS与MATLAB软件对不同荷载工况进行组合计算的方法步骤，该方法能够准确且高效地搜索出码头各构件内力的最不利荷载组合值、出现的单元编号以及其对应的荷载组合方式，为进一步优化受力构件尺寸以及结构型式提供依据。
参考文献：
[1] JTS144-1-2010，港口工程荷载规范[S].
[2] JTS167-2018，码头结构设计规范[S].