桁架结构船坞门有限元分析技术

桁架结构船坞门的有限元分析摘要：船坞口通常处在水陆交接处，是整个船坞工程中最为关键的组成部分。坞门作为坞口工程中的重要部分，是保障干船坞正常工作的重要结构。桁架结构作为一个空间超静定结构，使用传统的计算方式很难进行相关分析，通过计算机仿真可以很好再现结构的工作情形。主要对桁架式坞门在各种工况下的强度进行有限元仿真分析，结合相关规范给出边界条件假定和荷载计算方法，最后对有限元计算结果进行分析，结构计算结果满足强度和刚度设计要求，可为桁架式坞门的设计和应用提供参考依据。关键词：船坞门；桁架结构；有限元1概述桁架结构常用于大跨度建筑中。该结构的主要特点有：1）组成结构的杆件主要承受拉、压力，通过合理布置各个杆件，可改变结构内部的弯矩和剪力分布；2）由于整个结构水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，结构不对支座产生水平推力；3）结构布置灵活，应用范围广；另外，由于将受拉与受压的杆件集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得在相同的材料用量下，实现了更大的抗弯强度。并且通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑结构。将桁架结构用于船坞门结构，可以充分利用桁架结构的特点。而桁架结构作为一个空间超静定结构，使用传统的计算方法很难进行相关分析，但随着计算技术的发展和有限元方法的应用，使得各种复杂的计算成为可能，利用有限元直接计算复杂的桁架结构越来越受到设计工作者的重视。

该项研究工作可以为设计工作提供有效的补充，具有十分重要的工程应用意义［1］。本文以九江某在建的干船坞为实例，根据实际的结构设计尺寸对该干船坞的桁架式坞门进行有限元计算，并对该坞门结构设计的合理性进行了探讨，可为坞门的工程设计提供参考。2结构设计根据九江某船舶企业的要求，坞门要便于龙门吊车起吊，总质量不超过135t，因此利用桁架结构质量轻，刚性好的特点，本坞门设计为空间桁架结构形式。图1为坞门结构在不同视图方向上的线框图（不包括坞门面板），整个结构由3部分组成，即坞门面板、面板框架和桁架。坞门高度为12.2m,宽度为31m,厚度为3.5m。这里不包括止水结构及其连接结构。a-轴测；c-侧视；c-俯视。a-轴测；c-侧视；c-俯视。图1坞门结构示意坞门面板：由不同厚度的钢板（Q345B）焊接（电阻焊）在面板框架上。面板框架：由窄翼缘热轧H型钢焊接而成，H型钢的规格（高度X宽度）为500mmX200mm和300mmX150mm两种。桁架：由钢管焊接而成，钢管规格主要采用6140X20、6140X30"168X30三种。桁架顶部接头（空间连接）采用球形接头连接（焊接），球形接头共计21个，桁架与面板框架之间的连接采用焊接，桁架之间的其他部位为平面连接，采用直接焊接的方式连接。3结构有限元分析3.1材料的容许应力在对坞门结构进行强度校核时，根据所选的材料确定材料容许应力，由SL74—95《水利水电工程钢闸门设计规范》［2］规定，容许应力与钢材的厚度相关，坞门面板主要材料均为Q345B，型钢材料为Q345。坞门面板许用应力为213.75MPa，局部许用应力为335MPa；型钢和桁架的许用应力为180.5MPa，局部许用应力为285MPa。3.2三维有限元分析模型有限元分析模型采用三维空间几何模型，坞门面板为板单元Shell63,板厚按设计值输入；面板框架及桁架采用梁单元Beam189。采用线弹性模型，钢材力学特性按GB50017—2003《钢结构设计规范》取值［3-5］。位移边界：与坞门槽接触处在垂直坞门面方向不能移动，坞门左右（平行坞门面）方向不能移动。荷载条件：坞门在高度方向上施加梯度面荷载，分两种工况（计算时均为静水压力）:工况1为正常水位时水对坞门的压力，坞门顶端水压为0，

底端水压为1.17X105Pa,荷载梯度为10kN,即水到了顶端。工况2为极限状态，水位达到坞门的最上面，距离坞门顶端0.6m处的水压为0,底端水压为1.11X105Pa,荷载梯度为10kN,即正常静态水位。以下为两种荷载条件下的计算结果。3.3有限元分析结果3.3.1位移计算结果及分析图2为工况2下的位移分布云图，在外侧水的作用下，坞门向内弯曲，由于坞门的底部和两侧处于约束状态，坞门弯曲的最大位置在顶缘的中间处，两种工况下的整体最大位移见表1。2.U 12^72.U 12^72J.1 38图2位移分布云图mm表1位移计算结果工况最大位移/mm工况56.857工况最大位移/mm156.857238.000由计算结果可以看出，在两种工况下的最大挠度与计算跨度的比分别为56.857/31000=1/545和38/31000=1/815，满足SL74—95的挠跨比要求1/500[2]。3.3.2应力计算结果及分析0.11 827 138 t93 248图3应力分布云图MPa图3为坞门应力分布云图，表2为两种工况下的最大应力计算结果，按第四强度理论的Mises应力，该应力小于材料的许用应力，即认为强度满足要求（Q345钢的抗拉、抗压和抗弯强度为310MPa）；最大应力位于面板与面板框架H型钢的接触处，该应力为局部应力。表2最大应力计算结果MPa工况面板面板框架桁架12481902122206164167工况面板面板框架桁架12481902122206164167由计算结果可知，在两种工况下面板最大应力分别为248MPa和206MPa，许用应力为213.75MPa，局部许用应力为335MPa；面板框架和桁架的最大应力见表2，许用应力为180.5MPa，局部许用应力为285MPa，均满足SL74—95的强度要求。由于桁架是通过圆形钢管连接而成，考虑稳定性，对钢管进行柔度讨论，按式(1)进行柔度计算：A=—坦一(1)式中：U为长度因数；l为钢管长度；D、d分别为钢管内、外径。通过计算得3类钢管的最长管柔度分别为48.61、46.90和50.06,均小于压杆的柔度界限值100，因此认为3类钢管都属于小柔度杆，设计按强度计算。4结论利用大型有限元分析软件ANSYS对桁架式船坞门进行了三维有限元计算，得到该坞门在静水压力荷载下的变形及应力分布情况，计算结果满足设计规范要求。通过对该坞门进行三维有限元变形、应力分析可以看出，三维空间有限元可对结构、荷载与边界条件作出较符合实际的详细模拟。对于比较复杂，且荷载呈梯度分布的空间结构，采用本文阐述的方法，即通过ANSYS软件进行刚度、强度复核，建模简单、分析快捷，计算结果对设计和施工有较好的指导意义。参考文献：张娟，袁新明，张磊磊.船坞拉锚坞室墙与地基土体共同作用的有限元分析[J].计算机辅助工程，200