摘要
按照现行的工程设计惯例，船舶在靠泊的时候会对码头产生一定的作用效应，设计师在处理这种设计效应的时候，通常是采用某种作用力作为替代对这种作用效应来进行表达，挤靠力、系缆力和撞击力便是船舶靠泊效应的表达力，并且它们是以静力的形式施加在码头结构上的。然而，随着船舶大型化的发展，船舶在靠泊时的撞击力不断增大，对码头结构的影响也不断增大，这样的处理式，显然忽略了船舶与由桩基和梁板柱组成的柔性结构体系之间的相互动力作用过程以及动力响应特性，这会对设计结构的安全和稳定性造成影响。本文针对这种问题，利用大型通用有限元软件进行数值仿真，考虑船舶与框架码头发生接触撞击时的动力响应，来全面模拟撞击力对码头结构的影响。
以长沙霞凝国家粮库码头4#泊位为实例，利用数值仿真技术，对结构进行模态分析、动力响应分析、工程几种常见的静力处理方式分析，采用静力分析为动力分析结果进行印证，全面分析框架结构受到撞击后的动力响应，这样的分析更符合实际，相关结论可为内河全直桩框架码头结构设计提供参考。本文得到以下结论：
（1）通过对结构进行模态计算，分析其频率和振型，得到框架结构的刚度分布以及容易使结构产生共振的外部激励源频率段，本模型框架整体刚度较大，且分布均匀，利于抗震，建议适当增加桩刚度。
（2）动力响应分析结果表明：船舶在撞击框架结构后，框架结构受到的撞击力在很短的时间内迅速增大，达到峰值后又迅速减小，其时程曲线为倒三角形，计算得出的撞击力与规范算出的理论值吻合较好，验证了经验公式的安全性。
（3）动力响应模型模拟船舶与框架码头的碰撞过程表明：碰撞的过程不是一个简单的力的加载过程，等同于静力加载的方式忽略了船舶-码头之间的相互动力作用过程，中间要考虑到框架结构受到撞击后的结构振动，在船舶与框架结构的接触碰撞中甚至会产生接触的间隙，并形成二次撞击。动力结果分析得到：受撞击点以及框架连结点和桩底，为应力大值，撞击点处为最大；横向位移最大值产生于撞击点处；在撞击发生后，船舶的动能转化成为橡胶护舷的内能和框架结构受到的撞击能。在X方向上，橡胶护舷承受撞击作用产生的振动效应和缓冲受力的弹簧作用，两种作用的叠加造成橡胶护舷的振动特性；船舶在此方向上没有振动。Y方向上，橡胶护舷仅考虑受到撞击后的振动效应，船舶在此方向上均匀振动。动力分析的结果能够反映框架结构受到船舶撞击后的内部受力传递特征，符合工程实际。
（4）采用动力碰撞模型、空间实体模型、空间梁板模型（不考虑板刚度）三种不同的建模、计算方式对长沙霞凝国家粮库码头4#泊位受到船舶撞击进行数值仿真，三种计算模型的受力规律基本一致，受力特征可以相互印证。
（5）采用两种不同的静力模型对框架结构受船舶撞击下的受力特征进行模拟，来对动力分析的结果进行验证，进一步证实动力模型的安全性和优越性。结果表明动力分析的结果得到静力分析的保障，具有计算精度。
关键词：模态分析；动力数值分析；时间历程曲线；静力仿真分析；计算模型对比
ABSTRACT
According to actual engineering design practices, the effect produced by ships is usually directly equivalent to the crowded strength、the mooring force and the impact force, when ships are in the port of wharf, and is with the way of static to wharf structure. However, with the development of largescale ships, such disposal mode, apparently ignored the interaction between the flexible hydrodynamic process and the dynamic response character, which is composed of the ship and pile foundation and beam slab-column structure system. This article in view of this situation, Using giant general-purpose finite element software to do some simulation.
The paper considers the dynamic response produced by the process of frame coming in contact with the dock when ships are berthing, to do a more comprehensive treatment of the influence of wharf structures’ collision. This article carries on the numerical simulation for 4 # berths in xia-ning state wharf in Changsha and do some study for structure by model analysis, dynamic response analysis and some static analysis. Doing some comparison of the several different analysis, to summarize the appropriate and relevant calculation model, and the conclusions can provide reference for design of inland all straight pile frame quay structure. Get the following conclusion:
(1)Modal analysis can get structure vibration frequency and the vibration mode. Based on the analysis of frequency and vibration model can get the stiffness distribution of frame structure and the external drive source shows that are easy to make structure resonate. The framework in this model has large stiffness, that is distributed uniformly. The state is beneficial to the seismic. Appropriately increasing the stiffness of pile is a good suggestion.
(2) The analysis results of dynamic response indicates: Calculations of the impact force is coincident with and theoretical value. This result shows that: on one hand, the calculating results are reliable, on the other hand ,also make the empirical formula be verified by numerical analysis.
(3) The process of the ship is collided with framework simulated by dynamic response model shows that: Collision process is not a simple loading process, that needs to consider the vibration of frame structure after the ships’ hit. The collision between the ship and framework may even produce the clearance contact, and form the second crash. Dynamic analysis of the results obtains: The stress at suffered bump
point and frame linking points and pile bottom, is of the great value, and of the biggest value at the hit points. The maximum transverse displacement is at impact point. After the occurrence of the impact, the ship's kinetic energy is transferred to the rubber fenders and frame structure’s the internal energy. In the X direction, rubber fenders inherit the vibrations produced by knock-on effect, and buffers the force of spring role, and two kinds of the action decide the rubber fenders vibration characteristics. Ship is without vibration in this direction. In the Y direction, rubber fenders’ hit only consider the vibration effect, ship is suffered uniform vibration in this direction.
(4) Carrying on the numerical simulation for 4 # berths in xia-ning state wharf in Changsha by dynamic collision model, spatial solid model, spatial beam slab model (no considering board stiffness). Three calculation model has the same bearing law basically, and the structural features can be confirmed by each other.
(5) comparing with the internal force and displacement value of the three different models , Through validation of dynamic model, the calculation results of solid model has certain precision, the calculation results of beam slab model without considering board stiffness is partial conservative.
Keywords: modal analysis; dynamic numerical analysis; time process curve;
static simulation analysis; model contrast.
目 录
摘要 (Ⅰ)
Abstract ................................................................................................................... I II 第一章绪论
1.1研究意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (2)
1.2.1 概述 (2)
1.2.2水平承载桩计算研究现状 (3)
1.2.3 船舶撞击码头研究现状 (5)
1.2.4模态分析研究现状 (7)
1.3 本文研究的主要思路及内容 (7)
第二章结构动力分析的基本理论和方法
2.1 结构动力学的基本理论 (9)
2.1.1 结构动力分析简介 (9)
2.1.2 结构动力分析的任务和目的 (10)
2.1.3 结构动力分析分类 (10)
2.1.4 阻尼 (11)
2.2 有限单元法的基本理论 (11)
2.3 结构动力分析计算方法 (12)
2.3.1模态分析基本方程及振动特征方程求解 (12)
2.3.2 系统动力学运动方程 (13)
2.3.3 数值计算方法介绍 (15)
第三章框架码头模态分析
3.1 ANSYS在模态分析中的应用 (16)
3.2 框架码头模态分析有限元模型的建立 (18)
3.3 框架码头模态有限元分析 (19)
3.4 本章小结 (27)
第四章框架码头在船舶撞击作用下的动力响应分析
4.1 弹塑性力学基本方程 (29)
4.1.1 运动方程 (29)
4.1.2 本构方程 (30)
4.1.3 几何方程 (31)
4.1.4 边界条件 (32)
4.2 ANSYS/LS-DYNA在接触碰撞数值分析中的应用 (32)
4.2.1 接触碰撞算法介绍 (32)
4.2.2 接触碰撞算法的有限元实现 (33)
4.2.3 ANSYS/LS-DYNA简介 (35)
4.2.4 几个注意事项 (36)
4.3 高桩框架码头动力分析有限元模型的建立 (38)
4.3.1 有限元模型建立关键问题 (38)
4.3.2 船舶框架接触碰撞有限元模型 (39)
4.4 计算结果及其分析 (40)
4.4.1 船舶撞击力理论值 (40)
4.4.2 船舶靠泊时撞击力时程分布及大小 (41)
4.4.3 船舶靠泊时框架结构位移时程及大小 (43)
4.4.4 框架结构受撞击时平均应力时程分布及大小 (47)
4.4.5 撞击过程中动能时程分布 (50)
4.4.5 撞击过程中加速度时程分布 (52)
4.5 本章小结 (55)
第五章框架结构在船舶撞击作用下动静力模型对比
5.1 几种常用的静力分析模型 (57)
5.1.1 空间实体模型 (57)
5.1.2 空间梁板（不考虑面板刚度）模型 (60)
5.2 静动力分析结果对比 (64)
5.3 本章小结 (66)
第六章结论与展望
6.1 本文主要结论 (68)
6.2 研究展望 (69)
参考文献 (70)
致谢 (73)
附录A攻读学位期间发表论文目录 (74)
附录B攻读学位期间从事科研项目目录 (74)
第一章绪论
1.1研究意义
码头是供船舶停靠、货物装卸及旅客上下的水工建筑物，是港口重要的组成部分[1]。“十?二五”期间，国家鼓励大力发展水运，加强码头、水利设施的建设，航运、水利运输的发展进入黄金时期，作为最节能环保的一种运输方式，水运除了是成本最低的运输方式，同时它对节约型交通的构建具有十分重要的意义，同时对其发展提出了更高的要求，我们未来的港工、水工建筑物一定要为适应日益增长的运输需求和船舶大型化的发展提供依托。
我国幅员辽阔，三分之一的地区属于丘陵地带，这些地区河流水系发达，但是这些内陆河流往往水位差很大，这是由一些特定的因素造成的，地形条件的限制是造成这一现象的主要原因，季节的变化也是不可忽视的又一个原因，并且这些河流的流态流势等水文条件复杂。如湘江为山丘地带河流，其弯曲蜿蜒，枯水季节和洪水季节水位差可以达到十几米，水流的流态、流势等水文条件较复杂，这是与江苏省和浙江省境内平原河流所不同的，更不同于一般的人工运河，特别是湖南省是一个由洪水、暴雨引发的水灾和地质灾害等较为频繁的省份，因此湘江流域在洪水期时，超警戒线水位情况的发生也是十分频繁的。近年来，内地经济发展十分迅速，对内河航道通航的要求不断提高，内河航道条件得到了较大改善，在许多新建的港口泊位中设计船型不断大型化，例如长沙霞凝新港、湘潭河西中心港区和株州铜塘湾港区等，均考虑了2000吨级船舶的靠泊作业需求。由于船舶大型化发展日益明显，水域和陆域条件以及施工工艺的限制，特别是考虑河道防洪泄洪因素，透空结构型式是内河港口主体结构最常采用的形式，而钻孔灌注桩和梁板柱（框架）构件则几乎成为码头必然采用的“结构元素”。
这样的框架式结构形式之所以受到广泛地采用是由于其具有着一定的优点：（1）透空式结构能较好地考虑防洪的要求；（2）结构受力均匀合理；（3）全直桩的形式便于施工；（4）能较好适应岸坡变形。
按照现行的工程设计惯例，船舶在靠泊的时候会对码头产生一定的作用效应，设计师在处理这种设计效应的时候，通常是采用某种作用力作为替代对这种作用效应来进行表达，挤靠力、系缆力和撞击力便是船舶靠泊效应的表达力，并且他们是以静力的形式施加在码头结构上的。然而，随着船舶大型化的发展，船舶在靠泊时的撞击力力不断增大，对码头结构的影响也不断增大，这样的处置方式，显然忽略了船舶与由桩基和梁板柱组成的柔性结构体系之间的相互动力作用过程
以及动力响应特性，这会对设计结构的安全和稳定性造成影响。码头在运营过程中，容易受到船舶在停靠时对码头的撞击，动力作用在码头运行过程中是不可避免的，是码头受力的一个重要组成部分。本文在静力分析的基础上进一步探究码头在动力作用下的响应情况，通过数值模拟的方式提取动力撞击模型分析中的撞击力，与规范设计中的撞击力值进行对比分析，提供经验公式取值的可靠度；另外，针对现行工程设计时，设计师一般将撞击力等同为静力荷载加载在码头上进行处理的方式，建立多组常用的静力计算模型进行数值分析，用静力计算的结果对动力分析提供一定的依据，综合分析码头整体受力、位移，得出可靠的码头计算模型，为工程设计提供一定依据。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 概述
高桩码头是在软弱地基上修建的一种主要的码头结构形式，其工作特点是：码头上的荷载会通过桩台传递到桩结构上，然后经过桩基传给地基，在我国得到广泛应用。结构轻、波浪反射轻、对地基适应能力强是高桩码头的特点，其水平荷载一般由叉桩承受，然而在内河码头中，具有叉桩的高桩码头并不是常用的设计形式，全直桩的高桩码头才是受到设计人员的青睐的形式，这是与码头的施工条件相关的，其水平荷载由直桩承担，传递给嵌固桩。尽管全直桩码头是普遍采用于内河码头的设计形式，然而这种广泛适用于内河的全直桩码头除了有着一般高桩码头强度不够、耐久性不够强、构件易损难修复的普遍缺点外，还有些值得注意的事项：码头结构中的直桩完全承担着水平力，当有较大水平力作用时，位移可能超过限值；另外，由于内河水位差大，导致码头结构高度较大、横向刚度不够，难以满足船舶大型化的要求。
针对全直桩高桩码头的不足，将全直桩高桩进行优化，框架式高桩码头成为适用于内河港口的优化结构形式，它能在一定程度上解决全直桩码头横向刚度不够的问题，使码头整体受力更加均匀。框架式高桩码头的纵、横梁交织形成一个框架，能够提高码头的整体性和刚度，使力均匀传递和分配，并且由于其上部结构高度大，当水位差较大的时候，可以采用两层或者多层系缆，目前主要适用于水位差较大需多层系缆的内河港口[1]。
本文研究的长沙霞凝粮库码头4#泊位前方桩台为框架式全直桩高桩码头，考虑到下游长沙枢纽施工完成后会抬高上游水位，因此本码头设置双层系靠船构件解决系靠船舶的问题。码头结构型式为桩基梁板框架式，取一个结构分缝长度长36.95米进行分析，结构宽32.5米，桩基间距7米，排架间距6.5m。码头下部结构，桩基采用嵌岩桩，上部结构由横梁、纵梁、联系梁、横撑及面板组成，码头
结构断面见图1.1。
图1.1 长沙霞凝国家粮库码头4#泊位前方桩台码头断面结构图这样的框架结构形式较之全直桩码头，结构在受力上复杂，直接套用现有的设计理论进行码头结构稳定性、构件受力及强度计算无法完全体现出实际情况，其经济性和稳定性的保障也有待考究。采用动力分析的方式进行结构受力，强度计算更加贴合实际情况，更能考虑结构的安全性，同时也是对常用的计算模型进行计算的结果做一个安全性的验算。
针对桩基结构受力特性、船舶对结构的撞击作用、结构动力分析等相关问题，近年来许多学者和工程技术人员进行了一系列研究。
1.2.2水平承载桩计算研究现状
地基反力系数法、弹性理论法以及有限元法是进行水平承载桩的三种计算方式，我国最常用的方法是地基反力系数法。
土压力与由于土压力产生的相对应的位移的比值，称为地基反力模量，即为地基反力系数，这样一个值并不是描述土固有属性的值，周围的一些影响因素一旦发生变化都会对其产生影响，它会随之变化，但是它是一个重要的计算参数。在地基反力系数法中，基于温克尔地基模型，将桩周围土进行离散，土体被划分为多个单独作用的弹簧，当受力时，仅仅受到压力直接作用的弹簧会产生压缩，压缩量是与作用力成正比的，至于其他弹簧不产生任何压缩量。在该法中，地基土被视为非连续介质，地基反力系数从头至被尾视为常数，这种假定处理方式和实际情况有一定出入，但是其计算方式简单，对于某些能够容许较小位移值的基
础，计算结果具备一定的精度，和实际的桩性状情况接近，相较那些完善复杂的计算方法，当处理小位移基础问题时还是具有一定优势的。以土反力考虑方案进行分类，又可分为三类：极限地基反力法、弹性地基反力法、p—y曲线法。
在弹性理论法中，桩被假定埋置在各向同性半无限弹性土体中，土的弹性系数和泊松比被假定为常数，或着参数是随深度按照一定规律变化的。在计算桩周土位移时，把直桩沿桩径和桩长两个方向划分为若干段，各微段仍为各向同性的半无限体，分别计算各个微段在受到水平力产生位移时的明德林解，通过明德林解来计算微段中心处的桩周土位移，桩位移则根据细长杆的挠曲方程求出。令桩位移和桩周土位移相等，对每一微段处列方程求解。
有限元分析法是一种矩阵分析法，它以弹性地基上的梁挠曲方程为依据来分析水平承载桩的承载力，该法计算量较大，多和计算机结合使用对问题进行分析，建立合适的模型、选用合适的设计参数是进行该法计算分析的关键。
叶万灵等[4]提出了NL法，该法在计算桩在承受水平荷载作用时，用简单的查表的方式来代替复杂的非线性有限元数值计算。他提出一个以深度和位移为自变量的水平抗力的函数，以及以土质指标为自变量的地基反力系数的函数，这些都是建立在大量的桩基水平静载荷试验实测资料的基础上的,从实例计算的结果来看，这种算法有可靠的精度，实用性较强。吴锋[5]将NL法与有限元法进行结合，提出更加简单且精度高的方法来分析桩在承受水平荷载时的非线性受力特性。他建立了考虑桩土接触作用的非线性有限元模型，其中采用非线性弹簧对桩间土对桩的水平抗力进行模拟，此模型的计算结果得到规范中经验公式和实测结果的验证，具备一定精度，能够用于相似原理不能计算的问题，有工程设计应用价值。肖政等[6]提出了一种更加适合在高桩码头设计时采用的方法，他将NL法运用于全直桩高桩排架的计算中，其运用NL法来考虑桩的非线性变形以及群桩效应，得出与实际工程更吻合的桩的内力和变形情况，计算结果要优于在工程设计中常用的假想嵌固点法。吴锋等[7]提出来一种可以计算当桩受到水平荷载后有大位移时的m值的方法，该方法基于大量桩基水平静荷载试验资料，用数理统计的方式得出桩身泥面位移与不同土质条件下的m值的关系表达式，然后通过此表达式对m值进行推算，此法得到了算例的验证，精度得到保证，实用性好。此法能够解决规范中无法给出的大位移问题时的m值取值范围和方法，它充分考虑了单桩在受到水平荷载作用时，伴随着桩身泥面位移的增大，m值却会逐渐变小的问题，这使得在进行工程设计时参数不好选择的问题得到解决。宗泽[8]考虑桩土的相互作用效应，采用大型通用有限元分析软件ANSYS对靠船墩的结构建立三维仿真模型，当结构受到较大的水平作用力时，对全直桩结构的位移、变形、以及嵌岩深度等问题进行一个全面的讨论，此软件将对结构的形变进行充分分析，讨论结构能够允许的最大位移，同时将土体本身的弹塑性变形以及桩土之间的相互作用
纳入考虑，采用m法计算，得到当桩承受较大的水平作用下产生大水平位移的m 值，同时，讨论嵌岩桩在承受水平荷载时，嵌岩深度对嵌岩桩承受水平荷载能力的影响（此时，不考虑上覆土层），结合安全性和经济性，依据工程条件得出最合适的嵌岩深度。
1.2.3 船舶撞击码头研究现状
船舶与结构的碰撞是一个比较复杂的过程，涉及的方面非常的广泛。首先，碰撞是如此定义的，碰撞是指机械系统的运动状态在一个极短的时间内发生突然变化的现象，例如爆炸或对系统突然加上一些外部的约束，碰撞导致系统状态发生显著变化或者使系统构型发生改变。船舶与结构的碰撞是一个短暂的过程，但是却包含了复杂的非线性过程，包含材料弹塑性变形为典型特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的状态非线性。同时，在描述碰撞的状态时，不光具有复杂的空间变量，更包含复杂的时间变量。
（1）冲击理论研究现状
从动力学角度来说，冲击就是指抛射体以一定初速度向被撞击体进行撞击，在撞击瞬间能量急剧转化的现象。对与受到冲击力的结构来说，冲击荷载是外荷载随时间迅速变化的荷载，是一种极短的短时荷载[9]。当两个物体间在发生撞击的时候，机械系统的运动状态在一个非常短的时间内发生突然的变化，这往往导致整个系统内部的显著变化，还有外部形态的显著改变。冲击后的系统状态既取决于冲击前状态，又要考虑与冲击接触的物理过程有关，因此冲击作为一个很复杂的问题，研究这样的问题需要结合多个学学科，比如材料力学、结构动力学，非线性动力学等学科进行分析。冲击能够分为单向冲击以及多向冲击，碰撞问题则属于单向冲击的范围。
在进行冲击荷载作用的动力响应的分析时，在基于经典冲击理论的基础上，常用的分析方法为[10]：经典公式法和动力分析法。
经典公式法是根据大量的试验和统计分析得出的一种简要经验公式法，大多是属于拟静力法，这种方法一般使用于工程计算中，具有计算方便简单的特点，但是经典公式法往往精度不够，不够严密，这是因为一般会忽略掉阻尼、摩擦等等能量损失因素。动力分析方法则是根据动力学性能相似的原理，以弹簧、质量、阻尼器的离散系统模型来代替实际的结构系统，在动力学原理的基础上，建立出相关运动方程式，最后求解方程式，得到结构系统的动力激励以及响应。相较于经典公式法，后者在理论和精度上有较大的提高，但是存在计算量过大，复杂结构容易产生误差的缺点。
由于计算机技术的迅猛发展，结合计算机有限元法被越来越多的采用，计算
机仿真已经成为进行结构动力学分析的重要途径之一。从1976年发展至今，LS-DYNA已经成为结构动力分析软件的代表，类似这样的有限元分析软件得到了不断的发展和完善，同时一些新的、优秀的有限元动力分析软件也涌现了出来，他们已经成为结构动力分析的有力帮手，例如SPA2000、ABAQUS等。
（2）船舶碰撞理论研究现状
船撞力计算分析的时候涉及很多的因素，其中主要考虑的是船舶类型、航行速度、撞击角度、防撞物类型等等。船舶碰撞的计算理论以及方法一路发展过来有最早的米诺尔斯基船舶碰撞理论、汉斯-德鲁彻理论、数值解法、简化解析法、试验研究方式和有限元数值仿真计算方法。1975年提出的米诺尔斯基船舶碰撞理论是船舶碰撞理论的基础，得到多方试验的验证，在外部动力学上，米诺尔斯基理论用完全非弹性理论来对由于碰撞所带来的动能损失进行解释，动能损失将完全转化为由结构损伤进行承担的结构变行能。有限元数值仿真，是现阶段最为常用的计算方法，将碰撞结构离散为有限元模型，用时间增量法在时域中计算每一时间步上的节点瞬时加速度、速度和位移，计算结构每一时间步的变形、内力、接触力和能量。在一系列时间增量步上进行此项计算直至碰撞运动结束，就得到结构的碰撞时程，该过程称为运动方程的显示解法。与以位移为直接求解目标的隐式解法不同，显示解法因不需要矩阵求逆而运算速度高，并可方便的在计算中调整材料本构参数，十分适用于碰撞计算。一般而言，有限元数值仿真方法可以获得精确的分析结果，并能部分代替实船或模型的碰撞实验，可以很好的克服实验的缺陷。
朱斌等[11-13]建立了一个合理的动力模型，该模型能够反映在水面上具有不大的初速度运动的船只，在撞击埋置框架结构时的传递矩阵-节点耦合矩阵，更为重要的是能够模拟，船只与结构在撞击时，船只与结构的短暂脱离，得到撞击力时程曲线以及整个撞击系统的动力响应。文章指出，船只的初始动能、被撞击的框架结构的刚度以及两个撞击物体之间的接触刚对都会对撞击力的值产生一定的影响，当两种刚度越大的时候，撞击力的峰值也越大，撞击力的持续时间就会越短，曲线幅度越大，反之亦是如此，此动力模型得到了有限元发的验证，具有一定的可靠度。张华平等[14]采用多种水平荷载工况，对全直桩框架码头的结构型式进行推覆分析，目的是为了得到不同工况下，框架结构的水平极限承载力，然后通过工况组合，组合出对结构最不利的水平荷载工况。该文以数值计算和物理模型试验的方式对寸滩码头进行最不利水平荷载工况作用下的破坏研究，旨在得出结构构件的开裂荷载以及水平极限承载力来进一步明确结构的破坏模式以及结构的薄弱环节，为结构的优化设计提供依据。王多垠等[15]采用数值计算软件针sap2000，对大水位差全直桩框架码头在受到各种不同的水平撞击力工况进行建模分析，其目的在于从各个排架基地的剪力值和撞击力比值反映来了解不同工况下撞击力的
分配情况，当然，其终点在于针对全直桩框架码头的多层系缆、和存在纵横撑的两大特点，这是一般的高桩码头所不具备的。结果表明：随着撞击力位置的降低，荷载分配情况会变得集中起来，同时分配系数也会不断增大；纵撑对结构的纵向刚度的增大有就积极的作用，因为其能够改变荷载传递的途径，这是有利于水平撞击力的均匀分配的；虽然横撑对撞击力的横向传递有利，但对其纵向的分配却是不利的。
1.2.4模态分析研究现状
模态分析是以振动理论为基础的，其目的是要得到自振频率以及各阶自振振型等模态参数，进一步说来，通过一定的方式来弄清楚系统物理参数模型、模态参数模型以及非参数模型之间的关系是模态分析的内容，而振动结构模态分析，则是指对一般结构所做的模态分析。[16]
模态理论的起步，是从二十世纪七十年代初期开始的，到了八十年代中期，模态分析理论以及技术实现进成熟的阶段，并展开了在各个领域内的应用。此时的模态分析已从研究阶段走向各个工程设计单位，航空、航天、机械、化工、交通、结构、水工、船舶、核能、内燃机等涉及振动工程的领域都有模态分析的应用。而八十年代的中期到九十年代的这段时间是模态分析应用的黄金时期，在许多的领域内，比如结构动力修改、结构优化设计、故障诊断、状态监测、声学分析等领域，模态分析摆脱了那种单一、直接应用的模式，开始发展到与多种方法的综合应用的形式，尤其是在试验模态分析法（EMA）和有限元法（FEM）两种基本方法上，进行了大量的工程应用研究的工作，各种各样的综合研究方法都陆陆续续被提了出来，这样使的结构动态分析日趋完善。
1.3 本文研究的主要思路及内容
本文主要考虑靠泊时，船舶撞击下的码头动力响应分析，区别于以往工程计算中采用将等量静力施加于结构进行计算的模式，并分析不同计算模型的差别，得出合适的计算模型。重点完成以下几个方面的工作：
（1）用ANSYS对码头结构进行模态分析，求得其动力特性，包括固有振型和固有频率。分析长沙霞凝粮库码头二期4#泊位前方桩台码头结构的刚度分布情况，提出对结构的优化设计，为相关设计提供参考。
（2）用LS-DYNA对船只和框架码头结构分别建模，模拟船只撞击码头的整个过程，提取码头受到的撞击力，将结果与规范进行对比，提出修正或者提供依据。分析结构整体和局部的动力响应，得出码头结构的位移、应力变化以及能量转移形式。
（3）采用工程中常用的常规计算方法，即将撞击力以静力计算的方式对码头进行结构受力分析。采用两种常见的静力计算模型：空间实体模型和空间梁板模型（不考虑板刚度）。采用常用的静力分析方式的结果对动力分析提供一定的结果精度保障，使动力分析的结果建立在静力分析的结果精度上，更具有工程分析的价值。
第二章结构动力分析的基本理论和方法
2.1 结构动力学的基本理论
2.1.1 结构动力分析简介
结构承受的荷载一般分为两大类：静荷载和动荷载两大类，静荷载不会随时间而发生变化，而动荷载会随时间的变化而变化，例如冲击荷载、地震作用、风载等都是会随时间变化的力，他们就属于动荷载这一类。动载作用有其一定的特点，其最显著的基本特点是，其往往会导致结构产生较大的惯性力，同时引起结构自身产生振动，这就是我们常说的动力响应，这是由于动荷载能够使得结构的质量有一个显著的加速度造成的，此时，结构的平衡是惯性力、阻尼力、弹性恢复力和外荷载之间的一个动态的平衡。当振动发生时，我们若要确定这个过程中任何一个时间点，结构的全部质量的位置时，将需要一些独立的几何参数，这些参数就称为结构的自由度。这些个结构自由度的个数只与计算假定是有关联的，它与集中质量的数目和超静定的次数都是无关的，虽然增加自由度的个数，能提高反映结构实际动力性能，但是随之计算工作量相应增大是不得不考虑的因素，所以选择合适的自由度个数是十分重要的，要兼顾以上两个方面。
当结构体系在受到动荷载作用时，其结构行为往往有些不同于静力施加的特点，结构动力学就是这样一门研究动力学行为的技术科学，进行该学科研究为了了解结构体系的动力特性，对结构体系的动力响应的分析原理以及求解的方法进行一个全面的掌握，然后提供进行工程结构体系的优化以及在动力环境中的安全性、可靠性的理论基础的保障。
结构动力学的目的在于明确结构、动荷载和结构响应三者的关系，他们之间的关系可用图2.1表示，其中，M、C、K表示结构动力学参数的质量、阻尼和刚度矩阵。
图2.1 结构、动荷载、结构响应关系图
2.1.2 结构动力分析的任务和目的[17][18]
结构动力学与结构静力学相比，分析上要复杂很多：结构在受到动荷载后，不能忽略结构的振动，因而结构动力学中，需要考虑结构因为振动而产生的惯性力、阻尼力，由于惯性力是位移对时间的二阶导数的因素，因此运动方程的表达式将为微分方程的形式，此外，阻尼作用是一个复杂的作用形式，其机理目前也尚未完全明确，对阻尼力的处理也只能停留在数学层面上的假设处理；影响结构动力响应的因素很多，往往也会比较复杂，它不仅与随时间变化的动载情况有关，结构的能量耗散、刚度分布、质量分布等因素也会对结构的应力响应结果造成一定的影响。
动力问题中，随时间变化的特性是该问题的一个显著特点，因此建立与时间有关的一系列解答是十分有必要的。
结构动力学的任务可归纳为以下三方面：
(1)当结构在承受动荷载时，提供一个动力响应分析的合适方法；
(2)对结构固有动力特性进行一个确定，同时建立起结构的固有动力特性、动荷载、结构的动力响应之间的相互关系；
(3)在结构进行动力可靠性设计时，为其提供设计依据。
结构动力学分析的最终目的是，结构处在动力荷载作用下时，确定其内力、位移等参数随时间变化的一个规律，从时程曲线中找出最大值，为工程设计中结构的设计、分析、验算和加固等提供依据。
2.1.3 结构动力分析分类
按照作用在结构上的动力荷载类型，结构动力分析大致可以分为四种不同的类型，可将其分为模态分析、谐响应分析，瞬态动力分析以及谱分析[19]。
(1)模态分析
模态分析，是这样一种动力分析方式，它将结构的振型进行叠加来做进一步的分析，在动力分析方法中是最基本的一种，其目的在于确定结构的振动特性，比如固有频率和各阶的自振振型。在进行其他动力分析时，往往需要由模态分析中得出的固有频率和各阶的自振振型这些参数，他们是结构承受动力荷载设计中的重要参数，因此模态分析是其他动力分析的基础。值得注意的是，模态分析能够对结构避免共振现象提供依据，对结构进行模态分析可以了解结构的固有频率和振动形式，得出结构应该要避免的外部激励源，从而采取必要的措施，来规避由于共振造成的不必要的损失。
(2)谐响应分析
谐响应分析并不考虑发生在荷载施加初始的瞬态响应，结构在承受正弦规律