（水工结构工程专业论文）内河架空直立式码头结构特性模拟分析.pdf

摘要 摘要 本文结合西部交通建设科技项目“内河架空直立式集装箱码头结构关键技术 研究”，采用模型试验和有限元数值计算两种模拟手段，对内河架空直立式码头结 构特性进行了系统深入地分析，并提出了内河架空直立式码头结构的实用计算方 法。 物理模型采用1 ：1 0 的几何比尺，试验模拟了集装箱码头上的各种荷载( 包括 岸吊、集装箱堆载、船舶荷载等) 对码头框架结构的作用。模型试验分8 种工况 进行。试验分别模拟并测试了横梁、前后排桩柱、前撑，靠系船构件、联系粱等 主要构件在最不利工况下的受力状况。 借助于a n s y s 结构计算软件，对模型试验中的8 种工况分别进行了对应的 有限元数值计算。数值模拟分别建立了平面框架和空间框架两种模型，计算得出 了在各种工况下结构的受力状况。从计算结果来看，由于各柱的轴向变形而引起 码头顶压产生的相对竖惫位移对码头结构受力状况影嗨很大。横粱最大正弯矩出 现在第三跨中( 从江向岸) ：前排桩最大弯矩出现在与前撑联结点处，前排桩的荷 载效应主要是通过前撑传递的；后排桩弯矩主要是由水平荷载引起的，最大弯矩 出现在桩的嵌固点处；立柱与联系梁产生的弯矩相对较小。 通过比较分析，物理模型试验结果与有限元计算结果能够较好的吻合。采用 乎面框架模型进行有限元计算的应力值普遍比物理模型试验结果大。两者相差在 1 0 4 0 之间；采用空间框架模型计算的应力值与物理模型试验结果更加吻合， 两者相差在o 3 0 之间。由此可知，空间框架模型比平面框架模型更接近于框 架的实际状况。 通过分析数值计算和模型试验的结果及荷载效应的传递特点，提出了实用的 工程设计近似计算方法。将荷载分为竖向荷载和水平荷载分别作用计算。然后进 行迭加。竖向荷载的荷载效应计算时假定剪力、轴力引起的变形以及刚架侧向位 移为零，采用力矩分配法进行计算；水平荷载的荷载效应计算时假定刚架结点转 角为零，采用无剪力分配法进行计算：由桩柱轴向变形引起的码头顶面竖向位移 所产生的荷载效应，则简化为相应结点的支座位移产生的固端弯矩而进行分配和 传递。通过对近似计算结果和有限元计算结果的比较分析，最大相差约1 6 。建 议框架码头结构计算可采用上述实用计算方法。 关键词：模拟分析；结构性状：框架结构：模型试验：有限元；近似计算 c o m b i n e dw it h t h ew e s tc o n _ i i n u n i c a t i o n s t r u c t u r ec r i t i c a lt e c h n o l o g yr e s e a r c h c o n t a ih e rt e r m i n a l ”，t h r o u g ht h em o d e l c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yp r o j e c t 一“t h e o fl n l a n dr i v e ro v e r h e a d e r e c t i o n t e s ta n df i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nt h e s et w os i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h i sp a p e rh a v ed o n et h es y s t e m a t i ca n d d e e pa n a l y s i so ns t r u c t u r eb e h a v i n ga n dc o m e so u tw i t ha na p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o n m e t h o dt h a ta p p li e st oo v e r h e a d e r e c t i o nw h a r fo fi n l a n dr i v e r t h ep h y s i c a lm o d e lg e o m e t r i cp r o p o r t i o ni s1 ：1 0 a n dt h et e s th a si m i t a r e d t h er o l eo fv a r i o u sl o a d s ，i n c l u d i n gt h ep o r t a lc r a n e ，t h ec o n t a i n e rh e a p - - l o a d i n g ， t h em o o r i n gl i n ef o r c e sa n dt h ei m p a c tf o r c e so fam o o r e ds h i p t h em o d e lt e s t h a sb e e nd o n ei n8l o a d i n gc o n d it i o n s t h et e s td i f f e r e n t i a t e s i m u l a t e da n d d e t e c t e dt h es t r e s ss t a t eo ft h ec r o s sb e a m ，t h ef r o n ta n db a c kp i p e c o l u m n ，t h e f r o n ts u s t a i i s ，t h el e a ns h i pc o m p o n e n ta n dt h ea n c h o r b e a m ，t h ec o n n e c t i o nb e a m a n ds oo n ，i nt h em o s td i s a d v a n t a g el o a d i n gc o n d i t i o n s b ya n s y ss t r u c t u r a lc a l c u l a t i n gs o f t w a r e ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sm a d e c o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no f8l o a d i n gc o n d i t i o n si nt h em o d e lt e s t a c c o r d i n gt ot h en e e d so fa p p l i c a t i o n ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a se s t a h l is h e d t w om o d e l s t h ep l a n ef r a m ea n dt h es p a c ef r a m e 。a n dh a sg o tt h es t r u c t u r a ls t r e s s s t a t eu n d e rv a r i o u s1 0 a d i n gc o n d i t i o n s f r o mc a l c u l a t i o nr e s u l t ，w ec a n s e et h a t e r e c tr e l a t i v e l yt od i s p l a c e m e n t ，w h i c hi sc a s e db ya x i a ld e f o r m a t i o no ft h ec o l u m n ， a f f e c t st h es t r u c t u r a ls t r e s ss t a t eg r e a t l y t h em a xs a g g i n gm o m e n to ft h ec r o s s b e a ma p p e a r si nt h e3 r dm i d - s p a n ( f r o mr i v e rt ob a n k ) ：t h em a xm o m e n to ft h ef r o n t p i p ea p p e a r sa tt h ej o i np l a c eo ft h ef r o n ts u s t a i n sa n d t h ep i p e ：t h em a xm o m e n t o f t h eb a c kp i p ea p p e a r sa tt h ep o i n to ft h ep i p er o c k s o c k e t e dp l a c e ，w h i c hi s m a i n lyc a u s e db yh o r i z o n t a l1 0 a d ：t h em o m e n to ft h ec o l u m na n dt h ec o n n e c t i o nb e a m i sr e l a t i v e l y1 e s s t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s o f t h et e s ta n dt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n r e s u l t sa r ew e l lc o n s i s t e n t t h es t r e s so f t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni sb i g g e r t h a nt h et e s t a n dt h ed i f f e r e n c eisa m o n g1 0 4 0 t h er e s u l to ft h es p a c ef r a m e i sb e t t e rc o n s i s t e n tw i t ht h em o d e lt e s t ，a n dt h ed i f f e r e n c ei sa m o n go 3 0 s ot h es p a c ef r a m e m o d e li sc l o s e rt h a nt h ep l a n ef r a m em o d e li nt h ea c t u a l c o n d i t i o n a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h er e s u l to ft h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dt h em o d e l t e s ta n dt h ee f f e c t so f l o a dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i e s w ec o m eo u tw i t ha n a p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nm e t h o dt h a ta p p l i e st ot h ee n g i n e e r i n gd e s i g n t h el o a d i sc l a s s i f i e di n t o t h eh o r i z o n t a ll o a da n dt h ev e r t i c a ll o a da n dc a l c u l a t e d s e p a r a t e l yr o l e ，ac u m u l a t i v ef i n a l t h ea p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o no ft h ev e r t i c a l 1 0 a d ，m a k e st h ep r e m is eo fi g n o r in gd e f o r m a t i o nc a u s e db yt h es h e a r i n gf o r c ea n d a x isf o r c e ，a n dc a l c u l a t e sb y t h em o m e n td i s t r i b u t i o nl a w ；t h eh o r i z o n t a ll o a d e f f e c tc a l c u l a t i o ni g n o r e sr i g i df r a m e n o d e sc o r n e ra n g l e ：t h et o pf a c e d i s p l a c e m e n tc a u s e db yt h ep i e ra x i sd e f o r m a t i o n ，i ss i m p l i f i e df o r t h er i g i d m o m e n tc a u s e db yt h ec o r r e s p o n d i n gn o d e so f t h es u p p o r t e rd i s p l a c e m e n t t h e n 摘要 d i s t r i b u t i o na n dt r a n s m is s i o n t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so na p p r o x i m a t e e a l e t l l a t i o n sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s ，t h em a xd i f f e r e n c ei si nt h e1 6 。s o s u g g e s tt h a tt h ea p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nc a nb ea p p l i e df o r t h ep r e l i m i n a r y a n a l y s i so f t h ef r a m es t r u c t u r e k e y w o r d ：s i m u l a t i o na n a l y s i s ：f r a m es t r u c t u r e ：m o d e lt e s t ；f i n i t ee l e m e n t ： a p p r o xi m a t ec a l c u l a t io n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 j 磅 日期；础6 年争月年日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 重庆交通大学论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庆交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名 蹶斌 指导教师签名 同期：w 。6 年牟月印f 1 日期：弘m 年够月眵日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 我国西部地区河流众多，水资源丰富，但多属山区河上。山区河流与平原河 流不同，其河床断面多呈“v ”字形或“u ”字形，河床切割很深，河槽狭窄，坡 度变化剧烈，落差大，并且山区河流随着季节的变化，水位落差很大，最大达3 0 米以上。长江上游重庆段洪枯水位流量相差4 0 倍以上，形成“枯水一条线，洪水 一大片”的情形。 长江上游属大型山区河流，为了适应水位的变化，除客运码头、液体码头采用 浮码头外，8 0 年代前件杂货码头、综合码头及散货码头一般采用斜坡码头，8 0 年 代后，尽管在少数小型港口为了克服斜坡码头装卸效率偏低的缺点，尝试建立了 半斜坡式码头、半直立式码头及分级直立式码头，并取得了一定的成效，但这些型 式的码头只是在特定的陆域和水域条件下建成的。方育平“3 认为斜坡码头能较好适 应长江上游陆域和水域条件，斜坡码头在今后很长一段时期仍将在长江上游港口 占主导地位。 随着西部大开发战略的实施，西部地区内河港口发展迅速，集装箱运量迅猛 增长，斜坡式集装箱码头装卸工艺环节多、效率低、安全性差的问题日益突出。 研究开发适合于西部内河港口大水位差集装箱码头的经济实用、高效先进的装卸 工艺系统和码头结构型式，具有非常重要的现实意义，也是西部内河港口的当务 之急。直立式码头特别是架空直立式码头将是长江上游、三峡库区一带港f i 码头 结构型式的发展趋势“1 。 在西部大开发的背景下，建设相当数量的直立式集装箱码头成为迫切的需要。 到目前为止，在建的直立式集装箱码头有重庆港寸滩集装箱码头建设、重庆港九 龙坡集装箱码头改扩建工程、重庆万州沱口集装箱码头、重庆涪陵黄旗集装箱码 头、四川l 泸州集装箱码头。而这些直立式码头都是采用钢筋混凝土框架式结构。 但是，目前对于应用在内河大水深、高变幅水位的架空直立式( 重件) 码头 的合理结构型式和装卸工艺的研究，国外由于缺乏类似的河流条件，几乎未见相 应的研究，也罕见相应的研究成果报道。对于框架结构在直立式码头应用以及理 论分析和模型试验更是很少有人涉足。所以，开展对框架式结构码头的理论分析 及模型试验研究是非常迫切和很有必要的。 1 2 内河集装箱码头结构型式的现状和发展趋势 早在上世纪6 0 年代，我国在j l 江、西江就提出了大水位差码头结构型式和装 卸工艺研究问题。对于这些大水位差港f i ，考虑到其地质、地形、水文、投资等 第一章绪论 一2 条件的限制，大多采用了斜坡式码头型式。经过多年的实践和改进，斜坡式码头 已成为适应西部山区河流的主要型式。这种斜坡式码头也是我国特有的码头型式。 曹周红“j 等对西部山区河流码头型式与水位差的关系进行调查统计后得到：当 设计高低水位差在l o 2 0 1 时，直立式码头所占比例最高，处于主导地位；当设 计高低水位差在2 0 3 0m 时，斜坡式码头所占比例最高，处于主导地位；当设计 高低水位差为3 0m 以上时，斜坡式码头占绝大多数，其他型式的码头几乎没有， 斜坡式码头处于主导地位。 根据许增泽“1 统计，四川省的内河码头中斜坡式约占2 3 ，一般为实体斜坡， 少数为架空斜坡，其余码头的型式为栈桥式、分级直立式、直立式和桥吊式等。 长江上游属大型山区河流，为了适应水位的变化，除客运码头、液体码头采用浮码 头外，8 0 年代前件杂货码头、综合码头及散货码头一般采用斜坡码头，8 0 年代后， 尽管在少数小型港口为了克服斜坡码头装卸效率偏低的缺点，尝试建立了半斜坡 式码头、半直立式码头及分级直立式码头，并取得了一定的成效，但这些型式的码 头只是在特定的陆域和水域条件下建成的。方育平认为斜坡码头能较好适应长江 上游陆域和水域条件，斜坡码头在今后很长一段时期仍将在长江上游港口占主导 地位。 随着西部大开发战略的实施，西部地区内河港口发展迅速，集装箱运量迅猛 增长，斜坡式集装箱码头装卸工艺环节多、效率低、安全性差的问题日益突出。 研究开发适合于西部内河港口大水位差集装箱码头的经济实用、高效先进的装卸 工艺系统和码头结构型式，具有非常重要的现实意义，也是西部内河港口的当务 之急。直立式码头特别是架空直立式码头将是长江上游、三峡库区一带港口码头 结构型式的发展趋势。 1 3 框架结构的应用及研究现状 目前框架结构研究主要通过结构模型试验和有限元等方法数值计算两种手 段。 1 3 1 框架结构模型试验研究进展 关于结构模型，美国混凝土协会下的定义是：“模型是一个结构或一部分结构 的任何物理模拟。最通常的情况，模型按缩小的比例制造”。j a n n e y 等人( 1 9 7 0 ) 给出的定义是：“个结构模型是按比尺建成的任何结构构件或组合体，这种模型 是作试验用的，且在整理分析试验结果时，必须使用相似定律”“3 。 工程师和建筑师用的小比例模型可以追溯到几百年以前，甚至几千年。不过 早期的模型主要用来帮助计划和修建结构物，而不是预计原型的变形和强度。它 们和近代模型几乎更相似，不能认为它们是结构模型的范畴。用来预计结构性能 第一章绪论- 3 的大多数模型则要求量测应变、位移和力。因此，作为一种实用工具的模型，其 发展明显受到试验应力分析能力的影响。试验应力分析中最常用技术仅仅在2 0 世 纪才建立起来。特别是2 0 世纪4 0 年代采用电阻应变计构成压力盒及传感器中的 敏感装置，被认为是近代试验应力分析和结构模型的基础。随着科学的发展，各 种伪静力试验、拟动力试验、振动台试验等打破了过去静载试验和动载试验的界 限，并促使荷载再现，传感器、量测数据的快速采集、自动化记录、试验数据的 分析处理方法以及非线性与动载模型的相似设计等方面的发展使试验技术提高了 一大步。 因此，结构模型试验已经很成熟。开展内河直立式集装箱码头模型试验研究 在技术上是可行的。现就结构模型理论以及人们对钢筋混凝土框架结构模型试验 研究的进展做一下总结： 1 3 1 1 结构模型理论 任何结构模型都必须按照模型和原型结构相关联的一组相似要求来进行设 计、加载和进行数据整理。这些相似要求以模型理论为根据，可以从包括在结构 性能里的物理现象的量纲分析中推导出来。 量纲分析，就是用某些自然界的基本度量单位来表示物理现象的定性特征。 这些基本度量单位包括：长度：力( 或质量) 时间温度电荷。通过对物 理量的量纲分析，我们很容易得到结构模型的相似要求。 根据满足相似要求的程度，我们可以把结构模型分为三类：真实模型， 完备模型，失真模型。 ( 1 ) 真实模型 这种模型保持完全的相似。也就是所建立的模型完全通过量纲分析所要求的 全部的相似要求。而实际上要做到完全相似是比较困难的，因为在模拟过程中常 常遇到一些失真的情况，包括： 1 9 分离荷载代替分布荷载； b 钢筋混凝土模型中缺乏钢丝粘结强度的相似性； c 模型混凝土的破坏准则和原混凝土的不同： d 动力荷载的时间比例： e 将弹性模型应用于混凝士结构是，违背了，。，。 ( 2 ) 完备模型 这种模型保持“第一级”相似。例如，在刚架结构问题中，就变形而论，轴 向力和剪力相对于弯矩来说是第二位重要的，因此可以仅只模拟惯性矩而不模拟 构件的界面尺寸。 第一章绪论 4 ( 3 ) 失真模型 这种模型对于适当的量纲分析所规定的第一级条件来说，是不能满足其中的 一个或更多个。 b e a u j o i n t ( 1 9 6 0 ) 曾经对失真模型进行广泛的讨论，他认为允许偏离全相似 是可能的，只要有可能设法确定这些偏离的影响。在模型中可能产生相应应力、 位移、速度、加速度等等，不会与原型的这些量相似，但是可以通过一种能表示 应变失真大小的系数，即可知道其误差。 本论文所涉及的内河架空直立式集装箱码头是钢筋混凝土框架结构，建立完 全相似的模型是很困难的。主要原因是因为原型材料( 混凝土及钢筋) 与模型材 料很难达到完全相似的要求。 混凝土是一种独特的建筑材料，它的性质不同于其它材料。比如混凝土的抗 拉强度小于抗剪强度，而后者又小于它的抗压强度。p a h l 和s o o s a a r ( 1 9 6 4 ) 认 为，不能随便用任意材料来代替原型混凝土。n e w m a n ( 1 9 6 5 ) ，在对混凝土、砂浆 和水泥灰浆的结构进行精细分析时，发现了一个很有意义的相似性。即模型混凝 土基本上还是混凝土，只是比例上至少有一个数量级的缩减“1 。 任何模型混凝土在外部压力作用下的性能最为重要，因为混凝土作为建筑材 料主要是用来负担压力。在原型与模型结构之间的相似关系中，单向受压的应力 一应变性能最为重要。s a b n i s 和w h i t e ( 1 9 6 7 ) 曾对原型和模型混凝土以及石膏 砂浆配合物以无量纲坐标表达到应力一应变曲线进行比较得出原型与模型具有很 好相关性的结论”。 混凝土的抗拉强度也是一个基本而重要的性能，h a r r i s 等人( 1 9 6 6 ) 经过大 量的试验指出，和抗压强度一样，影响模型混凝土试件抗拉的强度有：加载方式， 加载方法和速率，试件尺寸，骨料的最大尺寸，水灰比，养护条件，施工质量， 温度变化”。 混凝土徐变也是混凝土的一个重要特性。r u s e h ( 1 9 5 9 ) 的研究结果表明，按 相应的荷载时间对原型性能的模拟是很重要的。由于周围环境中湿度的变化对徐 变的影响很大，同时又因为微小截面中模型混凝土的湿度变化比较容易，可以预 料，模型混凝土会不同于原型混凝土“1 。 另外，模型骨料含量的大小对混凝土的性能也是有影响的。康奈尔大学的试 验表明，增加模型配合料中的含砂量会引起抗压强度的降低，但是弹性模量则随 着骨料一水泥比的增加而增加。 在钢筋混凝土结构模型中，除了混凝土原型与模型的相似关系外，原型钢筋 和模型钢筋性能相似关系，以及原型和模型混凝土和钢筋之间的粘结力相似关系 第一章绪论 5 ， 也是很重要的。 在钢筋混凝土结构中，通常使用钢筋、圆钢和钢丝，低强度至中等强度的钢 筋作为普通配筋，高强度钢丝和圆钢作为预应力筋。大多数钢筋混凝土构件中， 习惯上是采用具有明显屈服点和足够延性的锻麓，以满足低配筋设计的要求。在 模型钢筋中，对于钢材的性质必须考虑以下几点：抗拉屈服强度和极限抗拉强 度，以及受压时的屈服强度；应力一应变曲线的形状；延性；钢筋与混凝 土接触面上的粘结特性。 各个不同的研究中心，曾经采用过不同尺寸和强度的钢筋、钢丝作为模型配 筋。但是存在着个它们与模型混凝土之间的粘结特性的问题通常对模型钢筋必 须选用刻痕钢丝，以便改善粘结强度的性质和数值，同时能做到更好的模拟开裂。 除了刻痕钢丝，研究者们还采用了些其它方法来模拟模型钢筋。比如，表面生 锈的光面钢筋，罗纹钢丝等。 对于一个比例缩小的结构模型来说，除了满足材料性能的相似条件以外，结 构的尺寸是至关重要的。尺寸效应是一个涉及强度变化的问题。s a b n i s ( 1 9 8 0 ) 根据文献资料终结了近几十年来有关这方面的大量理论研究工作，认为，通常试 件的尺寸变小，它的强度提高。然而尺寸效应现象仍没有完全搞清楚。目前，研 究材料强度和尺寸效应的统计方法基本上有两种：f r e u d e n t h a l ( 1 9 6 8 ) 提出的 纤维束强度理论；最薄弱环理论”1 。 经典的纤维束理论，认为整个试件是一系列平行的元件所组成，而一个元件 的失稳或破坏并不导致整体的破坏，而是这种破坏现象将始自局部向整体扩大之 前即被阻止。这也就是说，含有破坏元件的最薄弱体积元件被局部强度较高的元 件所围住，使最薄弱元件破坏之前所承受到应力，实际上传递给它的邻近远近。 最弱环理论，认为任何一个基本元件或任一薄弱环节的破坏就等于整个材料 的破坏。w e i b u l l 曾指出采用一个单一量值表征材料的强度是不够的，可以增加几 个参数来描述材料的强度，并熄试件视作由许多基本元件所组成的。w e i h u l l 将他 的理论应用于试验，结果证明，线性分布是合适的“3 。 1 3 1 2 、钢筋混凝土框架结构模型试验研究的进展 目前，对于钢筋混凝土框架结构的试验研究，主要是静力试验研究和动力试 验研究。而这些试验主要是针对房屋建筑的框架结构。现就混凝土框架结构试验 研究现状及发展趋势做如下终结： ( 1 ) 静力试验 第一章绪论6 c h o w d h u r y 和w h i t e ( 1 9 7 7 ) ，曾经对房屋建筑梁一柱节点的四个足尺模型， 制作了7 个1 1 0 比例模型并进行了试验。试验结果表明：小比例钢筋混凝土模 型开裂后的反应对模型材料的特性是非常敏感的，特别是当要再现斜向开裂和其 它与拉力有关的现象时，就必须准确定模拟模型混凝土的抗拉强度；虽然小比 例结构模型的裂缝比原型的要少，但局部部位的力矩一转动特征和全部位移都能 被模拟，具有很好的可靠性“1 。 张道明、尹新生、邹祖军0 1 等人在对单层开口预应力混凝土框架结构试验后指 出：( 1 ) 框架结构开裂前应用弹性理论进行结构内力分析是行之有效的方法：( 2 ) 结构从构件截面开裂到结构转为静定状态，均应考虑结构的塑性内力重分布对结 构内力分布的影响。可采用弹塑性理论；( 3 ) 次生弯矩在结构受力全过程中都存 在，但结构丌裂后，随构件截面刚度的变化而变化，建议进行结构次生内力分析 时。构件截面刚度采用实际刚度法计算；( 4 ) 在极限荷载作用下进行结构内力分 析，弯矩调幅时无需考虑次生弯矩的影响 石建军，段仲源”1 等通过4 榀叠合框架的足尺实验，研究了二次受力叠合框架 梁的力学性能和破坏形态。根据实验结果分析了顶层角节点受弯钢筋的锚固性能， 提出了角节点受弯负筋的锚固构造。 张宇峰，舒赣平，吕志涛”3 等针对以钢骨混凝土桁架为主框架梁的角筒式巨 型框架结构的具体特点，通过静力弹塑性分析及与振动台试验结果的对比，主要 对巨型框架结构的静力弹塑性分析中模型的建立、不同水平加载方式的影响、巨 型框架结构的出铰次序和位罱、结构侧移、主要杆件内力及谱分析进行了探讨和 研究结论表明，巨型框架结构的整体抗震性能较普通框剪结构有较大提高；杆 系模型静力弹塑性分析可较好地模拟出巨型框架结构中塑性铰出现的次序和位 置、结构主要杆件内力以及基底剪力与控制点位移的相互关系；应注意加强桁架 层上下层的抗剪延性措施。 李宏男，王强”1 等利用拟静力试验对钢筋混凝土框架柱分别进行了不同轴压比 下单，双向循环加载和双向变轴力循环加载，得到了在不同加载路径和加载方式 下力与位移关系的本构模型，通过比较不同加载形式下柱的破坏形态，破坏程度， 对试验现象和滞回曲线的分析得出：双向荷载作用使得柱的承载力较单向荷载作 用有较大的下降，在双向荷载作用下，构件的强度退化和剐度退化现象均较单向 荷载作用下严重得多，且轴压比增大加重了构件的强度退化和刚度退化现象，双 向荷载作用使得柱的延性也大为降低。 ( 2 ) 动力试验 在抗震设计中，为了表明关键截面充分的转动能力能使结构不致倒塌，甚至 第一章绪论- 7 在遭受非正常烈度的地震时也是如此，那就有必要预计构件的有效转动能力。 c h o w d h u r y 和w h i t e ( 1 9 7 7 ) ，曾经对三层钢筋混凝土框架进行承受重力荷载和模 拟地震力的反复侧向荷载组合作用的动力试验。试验结果表明，三层两跨抗震延 性钢筋混凝土框架，能够抵抗施加在框架平面内的非常强烈的反复苟载和单调增 加的侧向荷载。框架一些关键截面所能达到的转动延性系数为框架侧移延性系 数的8 倍；只要反复荷载小于极限承载能力的8 0 ，延性抗震框架的刚度不受 影响：小比例模型混凝土模型能够用来研究钢筋混凝土多层框架在强烈反复荷 载下的复杂非弹性性能“1 。 李忠献，郝永昶，周兵”3 等对一榀1 3 比例的两跨三层现浇钢筋混凝土分体 柱框架模型的低周反复荷载试验，结果表明，在钢筋混凝土框架中，将短柱设计 成分体柱后，仍然如分体柱单体试验所得结论一样可以改变短柱的破坏形态，使 短柱由剪切型破坏转化为弯曲型破坏，而且由于隔板的约束作用，分体柱一侧单 元柱在设计轴压比0 6 时，可以发生延性较好的大偏心受压破坏。因此应用分体 柱的形式能够很好的实现短柱变长柱的设计意图。有效的改善短柱的抗震性能。 预应力改变了墙体破坏时的裂缝分布形状，与普通墙体相比，预应力墙体破坏时 的裂缝细而密，特别是当预应力较大时，几乎布满了墙体的全部灰缝，没有明显 的主裂缝，表明结构受力均匀，材料性能发挥充分，当卸荷后裂缝重新闭合，墙 体“裂而不散”整体性保持较好，具有良好的抗倒塌性能 罗素蓉，王雪芳”等采用m t s 伺服加载系统进行了二榀单层单跨框架在拟静 力荷载作用下的抗震性能试验研究。试验结果表明，( 1 ) 破坏过程中，自密实高 强混凝土框架的屈服荷载、极限荷载和破坏荷载均较普通高强混凝土框架的略大， 两者对应的位移相近，而自密实混凝土框架的开裂荷载较普通混凝土框架的略小。 ( 2 ) 两榀框架的破坏形式非常接近，均是弯曲裂缝较剪切裂缝早出现，纵向钢筋较 箍筋早屈服，最终由于远离作动器梁端与近作动器柱底部塑性铰区的严重破坏使 其承载能力大幅度降低。( 3 ) 自密实高强混凝土框架与普通高强混凝土框架的荷载 一位移滞回曲线、骨架曲线相似，自密实高强混凝土框架的位移延性系数不低于 普通高强混凝土框架的位移延性系数，本次试验其值分别为4 7 5 和4 7 2 ，两者均 符合抗震要求。自密实高强混凝土框架的等效粘滞阻尼系数比普通高强混凝土框 架的略大，而功比指数相近。因此自密实高强混凝土框架结构的延性与耗能能力 不低于普通高强混凝土框架结构，能满足结构在抗震地区的要求。 1 3 2 现有框架结构的计算方法 现行高桩码头设计规范中，在水平荷载作用下，把空间结构简化为平面结构 计算；在竖向荷载作用下，则简化为平面结构或弹性支座连续梁计算，这种简化 第一章绪论- 8 偏于保守。在桩基设计时，规范中则采用线弹性地基的m 法和k 法，对于桩基土 对上部结构的位移和内力的影响，则通过近似的嵌固点法计算平面排架加以考虑。 所有上述计算，均把码头的上部结构与桩基分开考虑。其实，上部结构一桩土为 一整体，它们之间存在着复杂的相互作用关系。 鉴于这些问题的存在，南京水利科学研究院的洪晓林、柏文正1 等人( 1 9 9 5 年) 研究编制了n o s a p s 程序对高桩码头结构进行整体空间受力计算。根据高桩码 头结构的特点，程序配备了7 种类型的单元：两端固接梁元、杆元、一端固接一 端铰接梁元、平面矩形元、空间弹簧元、矩形板单元和矩形壳单元。在高桩码头 结构中，纵、横梁与板的轴线往往不在同一高程上，或为保证桩与梁、桩与板、 粱与梁连接处的刚性，在程序中引入了刚性域。为使程序适用于不同类型荷载， 除考虑了节点荷载外，还考虑了各种单元荷载：横向集中力、横向分布力、轴向 集中力、轴向分布力、横向三角形分布力、集中力偶、均匀升温、上下温差、板 单元上的集中力和局部均布荷载。程序中考虑了码头的常规荷载模式：结构自重， 静水浮力、水流力、波浪力、流动机械荷载、船舶撞击力和系缆力、上部均匀堆 货荷载。研究表明，当荷载较大时，由于土的非线性，高桩码头结构往往呈现上 部结构一桩一土非线性相互作用，即上部结构及桩本身可看作弹性的，桩基浅区 的土壤变形较大，一般呈非线性，桩基深处的土壤，变形很小，也可认为是弹性 的。 对这种带有局部非线性的结构体系，程序采用有限元分析中的子结构法来处 理。把结构体系分为2 个子结构。1 个是由上部结构和泥面以上桩组成；另1 个则 由泥面以下桩和土组成。这样处理可避免计算无谓地在线性部分重复，迭代时只 需对非线性部分的刚度矩阵进行修正。 河海大学的孙文俊“、胡维俊等人( 1 9 9 3 年) 则通过另一种方式在高桩码头结 构计算中考虑了桩土的相互作用。即将桩在泥面处截开，取泥面以上桩和上部结 构组成的空间体系作为计算对象，为了考虑桩基的影响，在桩截开处加入弹性支 座约束。这些弹性支座约束的劲度系数即为泥面以下桩在泥面处的桩头劲度系数， 可通过对基桩的计算得到。这样，就可以弹性支座上的空间刚架作为码头空间分 析的计算模型，采用杆系有限元法进行计算，取常规空间梁单元劲度矩阵( 考虑剪 切变形影响) ，对于与泥面相接的桩单元的劲度矩阵需要计及弹性支座的影响，必 须进行修改。 s a p 5 程序是国内外部公认的结构有限元计算程序，但把它运用到高桩码头上 来，则它的大量的前后处理及操纵的复杂性为设计人员无法接受。为此，交通部 三航院技术开发处、电算室与河海大学力学系通过几年的麸同努力，针对高桩码 头编制了有限元空间静力分析的专用程序s a p t ，使技术人员在数据准备、计算速 第一章绪论9 度及结果整理方面受益较大。 综上所述，对于钢筋混凝土框架结构模拟分析的理论条件和实践经验条件已 经具备，但框架结构作为行内河架空直立式集装箱码头结构形式进行的模型试验 研究以及相应的近似计算办法，尚未见有报道，因此以下问题急需进一步深入研 究： ( 1 ) 合理的结构模型比尺。 ( 2 ) 各种荷载的模拟方法。这些荷载包括集装箱堆载、岸吊荷载、系缆力、 撞击力等。 ( 3 ) 合理的测点布置方案以及试验加载方案。主要是根据数值分析的结果， 根据不同构件及相应的最不利组合布鹭测点及加载方案。 ( 4 ) 数据处理以及模型试验结果的精度分析。 ( 5 ) 适合于内河架空直立式集装箱码头结构近似计算方法。 1 4 本文研究的主要目的及内容 1 4 1 本文研究的主要目的 本文结合西部交通建设科技项目“内河架空直立式集装箱码头结构关键技术 研究”、以重庆港寸滩集装箱码头一期工程为依托，对内河大水位差架空直立式集 装箱码头结构进行各种控制工况模型试验研究；并通过模型试验验证数值分析结 果的有效性，提出适合于内河架空直立式集装箱码头结构近似计算方法，为今后 内河架空直立式码头结构的设计提供参考和依据。 1 4 2 本文研究的主要内容 本文拟将通过模型试验和数值分析相结合的模拟方法，依托西部交通建设科 技项目“内河架空直立式集装箱码头结构关键技术研究”，重点从以下几个方面展 开研究工作： ( 1 ) 通过模型试验和数值分析，研究各个构件在最不利工况下，内力的分布 特点； ( 2 ) 模型试验结果与数值分析结果进行对比，验证数值计算的有效性； ( 3 ) 在模型试验与数值计算结果较好的一致性的基础上，提出适用于工程设 计的内力近似计算办法。 第二章内河架空直立式码头模型试验一1 0 第二章内河架空直立式码头模型试验 2 1 模型试验的背景和目的 2 。1 ，1 模型试验的背景 在对实体进行有限元分析，并通过单位力法得出各个构件受力的最不利组合 的前提下，参照重庆寸滩集装箱码头一期施工图，设计模型和确定模型荷载加载 方案。 2 1 2 模型试验的目的 ( 1 ) 验证数值计算结果的有效性 ( 2 ) 分析结构的在各个工况下的受力特点 ( 3 ) 为近似计算和结构优化提供依据。 2 2 相似理论与相似分析 2 2 1 相似理论 在自然界、人类社会及人类的思维过程中，都存在着相似现象，它是客观事 物发展过程中的一种和谐协调形式，是事物之间的一种相同性。依据客观事物所 具有的不同相似关系，可以把相似分为纵向相似和横向相似。由于客观事物内部 的物理、化学联系而形成的相似关系，称为纵向相似。由于系统与系统之间的相 互联系，相互作用所形成的相似关系，称为横向相似。此外，从不同的角度出发， 我们还可以把众多的相似想象分为动力相似、几何相似、现象相似、本质相似、 静态相似、动态相似、宏观相似、微观相似等等。 2 ，2 1 1 相似定理 相似理论的理论基础，是相似三定理。相似三定理的使用意义在于指导模型 的设计及其有关试验数据的处理和推广，帮助人们科学而简洁地去建立些经验 性的指导方程，并在特定情况下，根据经过处理的数据，提供建立微分方程的指 导。 相似第一定理( 相似正定理) ：“对相似的现象，其相似指标等于1 ”，或者表 述为“对相似的现象，其相似准则的数值相同”。这是对相似现象相似性质的一种 概括，也是现象相似的必然结果。 相似第二定理( r i 定理) ：“设一物理系统有n 个物理量，其中有k 个物理量 的量纲是相互独立的，那这n 个物理量可表示成相似准则n l ，n2 ，兀。k 之 间的函数关系”。即： l ( r i ，兀2 ，丌。) - 0 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 也称作准则关系式或兀关系式，式中的相似准则称作兀项。 第二章内河架空直立式码头模型试验 一1 1 相似第三定理( 相似逆定理) ：“对于同一类物理想象，如果单值相似，而且 由单值量所组成的相似准则在数值相等，则现象相似”。是现象相似的充分必要条 件。 所谓的单值量，是指单值条件中的物理量，而单值条件又是将一令个别现象 从同类现象中区分开来，办即将现象群的通解( 由分析代表该现象的微分方程或 方程组得到) 转变为特解的具体条件。单值条件包括： ( 1 ) 几何条件 所有具有的现象都发生在定的几何空间内，因此参与过程的物体几何形状、 大小，都应作为一个单值条件提出。如研究桩柱的内力分布，则桩柱的几何形状、 尺寸是要求给出的几何条件 ( 2 ) 介质条件 许多具体现象都是在物体同具有一定物理性质的介质相互作用的过程中表现 的，所以，参与过程的介质，其物理性质应视作一种单值条件。本项目研究，岩 石的弹性模量e 、伯松比均为介质条件。 ( 3 ) 边界条件 一切现象必然受到与其直接相邻的周围环境的影响，因此发生在边界的情况 也是一种单值条件。如支撑条件、约束条件。 ( 4 ) 初始条件 许多物理现象，其发展过程直接受初始状态的影响。因此除静态过程外，应 将初始条件作为单值条件加以考虑。 应该指出，上述四种单值条件并非没一种都全部需要，应视具体情况而定。 相似第三定理由于直接同代表具体现象的单值条件相联系，并且强调了单值 相似，所以显示了它科学上的严密性。 相似第一定理和相似第二定理是现象相似的充分条件。换言之，它们是在假 设现象掘似的前提下得出的一些掘似性质。雨掘似第三定理贝1 3 从单值条件上保证 了现象的相似，它是现象相似的充分必要条件，严格地说，也是一切模型试验必 须遵循的理论原则。 但是，对于一些复杂的工程问题，很难确定现象的单值条件，仅能凭经验判 断什么是最主要的参数，或者虽然知道单值量，但很难甚至不能满足某些单值条 件的相似，这就是使相似第三定理难以真正实行，并使模型试验的结果带有近似 的性质。由此，我们可以看出，模型试验结果的好坏，或它是否