復合材料計算方法的架空直立式碼頭結構數(shù)值分析

文中詳細闡述了結構優(yōu)化理論的研究現(xiàn)狀,分析了內河架空直立式碼頭結構優(yōu)化研究與設計中存在的不足,并提出了今后的研究重點和發(fā)展方向,即內河架空直立式碼頭結構穩(wěn)健性優(yōu)化、全局多目標優(yōu)化和一種適合內河架空直立式碼頭結構優(yōu)化的優(yōu)良算法——遺傳算法的研究。

以三峽庫區(qū)某架空直立式碼頭為例,采用基于有限元軟件ansys的montecarlo法,對架空直立式碼頭樁基進行了靈敏度分析、散點圖分析,并討論了樁基在各種工況組合作用下的可靠指標.結果表明船舶撞擊力對碼頭樁基的可靠度計算起著決定性作用,碼頭樁基可靠度指標基本滿足規(guī)范要求,可靠指標計算方法和結果可為類似碼頭樁徑優(yōu)化設計提供參考.

利用有限元法對性質復雜的混凝土結構——架空直立式碼頭進行塑性破壞分析,其中包括根據(jù)室內模型試驗得到的混凝土參數(shù),利用有限元軟件進行數(shù)值模擬分析;結合重慶市寸灘碼頭模型試驗資料,對數(shù)值模擬結果進行對比分析。結果表明:碼頭結構在受到頂層撞擊力后最先破壞的是結構底層的聯(lián)系梁;隨著撞擊荷載的增大,結構上部的縱撐、橫撐兩端均出現(xiàn)不同程度的開裂區(qū),但整個結構未出現(xiàn)較大位移,表明此種結構具有較強的塑性變形能力,符合框架結構的設計原則,與試驗數(shù)據(jù)比較吻合。

以三峽庫區(qū)架空直立式碼頭大直徑鋼護筒嵌巖樁為切入點,主要針對受鋼護筒影響下架空直立式碼頭嵌巖樁的受力性狀作一綜述.在闡明何為鋼護筒嵌巖樁的基礎上綜述了鋼護筒及鋼護筒嵌巖樁的受力性狀和嵌巖樁-土-巖的受力性狀的研究現(xiàn)狀,并從鋼管混凝土樁(柱)與鋼護筒嵌巖樁受力性狀的區(qū)別、鋼護筒與樁芯鋼筋混凝土的聯(lián)合受力和考慮重復荷載作用下鋼護筒效應對嵌巖樁承載性能的影響3個方面探討有待研究的方向,為進一步研究鋼護筒嵌巖樁提供一些思路.

采用三維有限元數(shù)值分析方法,對大水位差架空直立式碼頭的力學特性展開了分析,得到了有限元簡化分析時的結構內力及其誤差,并在此基礎上對結構的模態(tài)及其塑性破壞過程進行了分析,得到了內河架空直立式碼頭基礎與結構共同作用的一些規(guī)律及其碼頭結構的破壞模式。

利用有限元法對內河架空直立式集裝箱碼頭結構進行了計算分析,采用有限元法建立了3種不同的有限元模型(平面剛架模型、不考慮面板剛度的空間剛架模型、考慮面板剛度的空間剛架模型),分別對內河架空直立式集裝箱碼頭結構進行了靜力計算和比較分析。分析表明,考慮面板剛度的空間剛架模型是適合內河大水位差架空直立式碼頭結構的計算模型。

以在建的重慶市兩江新區(qū)果園樞紐港二期工程為例,采用有限元法對內河大水位差架空直立式框架碼頭單排架結構進行了受力分析。探討了不同荷載組合下的最不利受力構件。按照恒載參與每種作用效應組合,活載按結構實際可能出現(xiàn)的受力情況進行組合分析的思路,對結構自重、面板自重、堆貨荷載、岸吊荷載和船舶撞擊力等荷載進行組合,共設計了32種荷載組合。采用有限元法計算分析每種組合下的排架結構各構件的內力,在32種荷載組合結果中搜索各構件的最大(小)內力值,從而確定在32種荷載組合下的最不利受力構件,并得到了控制結構構件內力的21種最不利荷載組合。

由于內河架空直立式碼頭結構復雜,不能采用一般的傳統(tǒng)計算方法進行模態(tài)分析,而應采用結構專業(yè)軟件進行分析。采用有限元法建立空間剛架模型,對內河架空直立式集裝箱碼頭結構進行了模態(tài)分析,初步探討了內河架空直立式碼頭結構的動力特性,為合理結構型式的研究提供了依據(jù)。

根據(jù)動力時程分析法基本理論,利用ansysworkbench有限元軟件分別建立新型架空直立式碼頭結構和傳統(tǒng)架空直立式碼頭結構有限元模型進行數(shù)值模擬分析,得出兩種結構型式碼頭面板和樁的應力、位移的時程響應結果。最后,通過對兩者的結果進行分析對比,初步探討和評估新型碼頭結構的抗震性能。

利用有限元法對內河大水位差架空直立式集裝箱碼頭結構進行計算分析。采用等截面梁單元,按平面剛架建模分別對各控制工況進行了比較計算和分析,并按空間剛架建模對計算結果進行復核,計算結果可靠合理,為合理結構型式的研究提供了依據(jù)。

結合三峽工程建成蓄水后庫區(qū)港口航道水域特點和地形特點,充分考慮長江航運發(fā)展、長江上游重慶航運中心的建設等需求,以及碼頭建設對長江航運通航條件、通航環(huán)境安全及行洪能力的影響,對各種適合集裝箱裝卸的碼頭結構進行了全面歸納、分析、篩選,提出了在長江上游30m以上大水位差條件下5種比較適合于集裝箱裝卸的碼頭結構方案。

從三峽庫區(qū)變動回水區(qū)特殊的地形地質及水文條件出發(fā),以寸灘港三期擬建工程為實例,通過對結構形式特點比較、施工方法論述及合理施工水位確定等要素的分析,對架空直立式碼頭結構進行排架跨度、基樁樁徑優(yōu)化設計,提出了適應于三峽庫區(qū)變動回水區(qū)的大樁徑、大跨度架空直立式碼頭結構形式,比傳統(tǒng)的碼頭結構工程量減少、工程造價降低,并解決了三峽成庫后低水位施工期短的難題。此研究成果可為庫區(qū)碼頭建設提供良好的技術支持,具有一定的參考價值。

大水位差架空直立式碼頭是出現(xiàn)在長江上游內河地區(qū)的一種新型碼頭結構型式。對該種碼頭的結構特點、結構型式及其適應性進行歸納,并對碼頭的樁基、上部結構及接岸結構等的設計和計算要點進行點評。

針對大型內河碼頭建設面臨的復雜水文條件和地質條件,基于結構受力最優(yōu)原理和工程造價最省的思路,提出了"空間三角形框架墩+帶主斜撐大跨度排架"的內河架空直立式碼頭新型結構,分析了該碼頭結構的構造特點和穩(wěn)定性。并將寸灘碼頭一、二期建設項目的碼頭結構型式改用本優(yōu)化結構型式后進行了工程造價的計算,再與原寸灘碼頭一、二期建設項目的工程造價進行比較。研究表明:新型結構的構造簡潔、受力合理、水下工程量小、經(jīng)濟性好。

本文針對目前碼頭平面設計方法的不足,采用有限元方法,對重慶市某內河架空直立式框架碼頭進行模擬,分析探討了不同工況下碼頭的變形和各主要構件的力學性能。研究表明:此結構整體性很好,但工程設計偏于保守,可適當加大樁徑、樁間距及排架間距,以減少工程投資,同時可以減小結構對水流的影響,為碼頭結構型式的優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)。

采用有限元法,分別建立樁-土-碼頭結構模型、地基剛性假定的碼頭模型和工程計算簡化的碼頭模型。通過模態(tài)分析和動力時程分析,得出3種碼頭模型的基頻和水平位移最大值,以及碼頭立柱內力的最大響應值。研究表明:與地基剛性假定模型相比,由樁-土-碼頭結構模型所得的結構基頻、水平位移最大值、立柱的剪力和彎矩值將會減小,軸力值基本不受影響;與工程計算簡化模型相比,結構的基頻、立柱的剪力和彎矩值將增大,但是水平位移最大值將減小,軸力值基本不變。

采用響應面數(shù)值模擬技術在設計驗算點處擬合了代替真實極限狀態(tài)曲面的響應面函數(shù),并在此基礎上運用一次二階矩法編寫matlab程序對架空直立式碼頭樁基進行了可靠度分析求解。驗證了基于響應面對大型結構可靠度求解的可行性。

以重慶某平面布置為"l型"的內河框架直立式碼頭為依托,采用midas建立空間剛架模型并進行模態(tài)分析,提取關鍵模態(tài)分析結構的振型特點。初步探討其動力特性,為結構設計、振動故障診斷以及結構動態(tài)特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

以重慶港寸灘碼頭三期工程的為依托,基于大渦模擬理論,應用有限元軟件fluent模擬高雷諾數(shù)條件下的三維流場,得出超臨界狀態(tài)下串聯(lián)樁上的水流速度和壓強,探討碼頭結構各排架樁上的阻力系數(shù)、水流壓強衰減、消能等相關規(guī)律,為三峽庫區(qū)大水位差架空直立式碼頭在結構設計時考慮水流力的影響提供參考。

采用ansys有限元軟件,對5種不同碼頭承臺寬度、5種不同樁直徑進行數(shù)值分析,探討承臺寬度、樁直徑對架空直立式碼頭水平撞擊力分配系數(shù)的影響。結果表明,承臺寬度和樁直徑對排架分配系數(shù)有著不可忽視的影響,承臺寬度的增大有利于排架的均勻分配,樁直徑的增大不利于排架的均勻分配。為使結構受力均勻,可適當加大承臺寬度、減小樁直徑。同時對這兩個因素對水平撞擊力分配系數(shù)的影響進行敏感性分析。

針對任意壁厚的復合材料圓管構件的等效彈性模量和剪切模量提出了高階理論計算方法，它考慮了構件的橫向剪切效應以及層合材料的三維本構關系，并在相同壁厚條件下對三種纏繞方式（［０°／（±θ）ｎ］ｓ，［（±θ）ｎ］ｓ和［９０°／（±θ）ｎ］ｓ）的等效模量進行了預測，并且與經(jīng)典層合板理論的預測結果進行了比較，該方法可用于復合材料桿件結構的設計中。

預制t梁復合截面計算方法——本文通過對比試算，探討并驗證了采用雙層單元法對存在現(xiàn)澆整體化層的預制結構的計算的可行性，為預制梁計算提供了一個新的計算方法和思路。