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135 t，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12.2 m，宽度为31 m，厚度为3.5 m。这里不包括止水结构及其连接结构。

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×宽度)为500 mm×200 mm和300 mm×150 mm两种。

桁架：由钢管焊接而成，钢管规格主要采用φ140×20、φ140×30

和φ168×30三种。

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SL 74—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213.75 MPa，局部许用应力为335 MPa；型钢和桁架的许用应力为180.5 MPa，局部许用应力为285 MPa。

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Shell 63，板厚按设计值输入；面板框架及桁架采用梁单元Beam 189。采用线弹性模型，钢材力学特性按GB 50017—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1.17×105 Pa，荷载梯度为10 kN，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0.6 m处的水压为0，底端水压为1.11×105 Pa，荷载梯度为10 kN，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。

图2 位移分布云图 mm

表1 位移计算结果

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56.857/31 000=1/545和38/31 000=1/815，满足SL 74—95的挠跨比要求1/500[2]。

3.3.2 应力计算结果及分析

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310 MPa)；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

由计算结果可知，在两种工况下面板最大应力分别为248 MPa和206 MPa，许用应力为213.75 MPa，局部许用应力为335 MPa；面板框架和桁架的最大应力见表2，许用应力为180.5 MPa，局部许用应力为285 MPa，均满足SL 74—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：

(1)

式中：μ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

1)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。

2)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。