桁架結(jié)構(gòu)船塢門有限元分析技術(shù)

桁架結(jié)構(gòu)船塢門的有限元分析摘要：船塢口通常處在水陸交接處，是整個(gè)船塢工程中最為關(guān)鍵的組成部分。塢門作為塢口工程中的重要部分，是保障干船塢正常工作的重要結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)作為一個(gè)空間超靜定結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)的計(jì)算方式很難進(jìn)行相關(guān)分析，通過計(jì)算機(jī)仿真可以很好再現(xiàn)結(jié)構(gòu)的工作情形。主要對桁架式塢門在各種工況下的強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)合相關(guān)規(guī)范給出邊界條件假定和荷載計(jì)算方法，最后對有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果滿足強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求，可為桁架式塢門的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：船塢門；桁架結(jié)構(gòu)；有限元1概述桁架結(jié)構(gòu)常用于大跨度建筑中。該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)有：1）組成結(jié)構(gòu)的桿件主要承受拉、壓力，通過合理布置各個(gè)桿件，可改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和剪力分布；2）由于整個(gè)結(jié)構(gòu)水平方向的拉、壓內(nèi)力實(shí)現(xiàn)了自身平衡，結(jié)構(gòu)不對支座產(chǎn)生水平推力；3）結(jié)構(gòu)布置靈活，應(yīng)用范圍廣；另外，由于將受拉與受壓的桿件集中布置在上下兩端，增大了內(nèi)力臂，使得在相同的材料用量下，實(shí)現(xiàn)了更大的抗彎強(qiáng)度。并且通過合理布置腹桿，能夠?qū)⒓袅χ鸩絺鬟f給支座。這樣無論是抗彎還是抗剪，桁架結(jié)構(gòu)都能夠使材料強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，從而適用于各種跨度的建筑結(jié)構(gòu)。將桁架結(jié)構(gòu)用于船塢門結(jié)構(gòu)，可以充分利用桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。而桁架結(jié)構(gòu)作為一個(gè)空間超靜定結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)的計(jì)算方法很難進(jìn)行相關(guān)分析，但隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和有限元方法的應(yīng)用，使得各種復(fù)雜的計(jì)算成為可能，利用有限元直接計(jì)算復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)越來越受到設(shè)計(jì)工作者的重視。

該項(xiàng)研究工作可以為設(shè)計(jì)工作提供有效的補(bǔ)充，具有十分重要的工程應(yīng)用意義［1］。本文以九江某在建的干船塢為實(shí)例，根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸對該干船塢的桁架式塢門進(jìn)行有限元計(jì)算，并對該塢門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了探討，可為塢門的工程設(shè)計(jì)提供參考。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)九江某船舶企業(yè)的要求，塢門要便于龍門吊車起吊，總質(zhì)量不超過135t，因此利用桁架結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，剛性好的特點(diǎn)，本塢門設(shè)計(jì)為空間桁架結(jié)構(gòu)形式。圖1為塢門結(jié)構(gòu)在不同視圖方向上的線框圖（不包括塢門面板），整個(gè)結(jié)構(gòu)由3部分組成，即塢門面板、面板框架和桁架。塢門高度為12.2m,寬度為31m,厚度為3.5m。這里不包括止水結(jié)構(gòu)及其連接結(jié)構(gòu)。a-軸測；c-側(cè)視；c-俯視。a-軸測；c-側(cè)視；c-俯視。圖1塢門結(jié)構(gòu)示意塢門面板：由不同厚度的鋼板（Q345B）焊接（電阻焊）在面板框架上。面板框架：由窄翼緣熱軋H型鋼焊接而成，H型鋼的規(guī)格（高度X寬度）為500mmX200mm和300mmX150mm兩種。桁架：由鋼管焊接而成，鋼管規(guī)格主要采用6140X20、6140X30"168X30三種。桁架頂部接頭（空間連接）采用球形接頭連接（焊接），球形接頭共計(jì)21個(gè)，桁架與面板框架之間的連接采用焊接，桁架之間的其他部位為平面連接，采用直接焊接的方式連接。3結(jié)構(gòu)有限元分析3.1材料的容許應(yīng)力在對塢門結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，根據(jù)所選的材料確定材料容許應(yīng)力，由SL74—95《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］規(guī)定，容許應(yīng)力與鋼材的厚度相關(guān)，塢門面板主要材料均為Q345B，型鋼材料為Q345。塢門面板許用應(yīng)力為213.75MPa，局部許用應(yīng)力為335MPa；型鋼和桁架的許用應(yīng)力為180.5MPa，局部許用應(yīng)力為285MPa。3.2三維有限元分析模型有限元分析模型采用三維空間幾何模型，塢門面板為板單元Shell63,板厚按設(shè)計(jì)值輸入；面板框架及桁架采用梁單元Beam189。采用線彈性模型，鋼材力學(xué)特性按GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值［3-5］。位移邊界：與塢門槽接觸處在垂直塢門面方向不能移動(dòng)，塢門左右（平行塢門面）方向不能移動(dòng)。荷載條件：塢門在高度方向上施加梯度面荷載，分兩種工況（計(jì)算時(shí)均為靜水壓力）:工況1為正常水位時(shí)水對塢門的壓力，塢門頂端水壓為0，

底端水壓為1.17X105Pa,荷載梯度為10kN,即水到了頂端。工況2為極限狀態(tài)，水位達(dá)到塢門的最上面，距離塢門頂端0.6m處的水壓為0,底端水壓為1.11X105Pa,荷載梯度為10kN,即正常靜態(tài)水位。以下為兩種荷載條件下的計(jì)算結(jié)果。3.3有限元分析結(jié)果3.3.1位移計(jì)算結(jié)果及分析圖2為工況2下的位移分布云圖，在外側(cè)水的作用下，塢門向內(nèi)彎曲，由于塢門的底部和兩側(cè)處于約束狀態(tài)，塢門彎曲的最大位置在頂緣的中間處，兩種工況下的整體最大位移見表1。2.U 12^72.U 12^72J.1 38圖2位移分布云圖mm表1位移計(jì)算結(jié)果工況最大位移/mm工況56.857工況最大位移/mm156.857238.000由計(jì)算結(jié)果可以看出，在兩種工況下的最大撓度與計(jì)算跨度的比分別為56.857/31000=1/545和38/31000=1/815，滿足SL74—95的撓跨比要求1/500[2]。3.3.2應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析0.11 827 138 t93 248圖3應(yīng)力分布云圖MPa圖3為塢門應(yīng)力分布云圖，表2為兩種工況下的最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，按第四強(qiáng)度理論的Mises應(yīng)力，該應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，即認(rèn)為強(qiáng)度滿足要求（Q345鋼的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度為310MPa）；最大應(yīng)力位于面板與面板框架H型鋼的接觸處，該應(yīng)力為局部應(yīng)力。表2最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa工況面板面板框架桁架12481902122206164167工況面板面板框架桁架12481902122206164167由計(jì)算結(jié)果可知，在兩種工況下面板最大應(yīng)力分別為248MPa和206MPa，許用應(yīng)力為213.75MPa，局部許用應(yīng)力為335MPa；面板框架和桁架的最大應(yīng)力見表2，許用應(yīng)力為180.5MPa，局部許用應(yīng)力為285MPa，均滿足SL74—95的強(qiáng)度要求。由于桁架是通過圓形鋼管連接而成，考慮穩(wěn)定性，對鋼管進(jìn)行柔度討論，按式(1)進(jìn)行柔度計(jì)算：A=—坦一(1)式中：U為長度因數(shù)；l為鋼管長度；D、d分別為鋼管內(nèi)、外徑。通過計(jì)算得3類鋼管的最長管柔度分別為48.61、46.90和50.06,均小于壓桿的柔度界限值100，因此認(rèn)為3類鋼管都屬于小柔度桿，設(shè)計(jì)按強(qiáng)度計(jì)算。4結(jié)論利用大型有限元分析軟件ANSYS對桁架式船塢門進(jìn)行了三維有限元計(jì)算，得到該塢門在靜水壓力荷載下的變形及應(yīng)力分布情況，計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。通過對該塢門進(jìn)行三維有限元變形、應(yīng)力分析可以看出，三維空間有限元可對結(jié)構(gòu)、荷載與邊界條件作出較符合實(shí)際的詳細(xì)模擬。對于比較復(fù)雜，且荷載呈梯度分布的空間結(jié)構(gòu)，采用本文闡述的方法，即通過ANSYS軟件進(jìn)行剛度、強(qiáng)度復(fù)核，建模簡單、分析快捷，計(jì)算結(jié)果對設(shè)計(jì)和施工有較好的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)：張娟，袁新明，張磊磊.船塢拉錨塢室墻與地基土體共同作用的有限元分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，200