陶桂蘭,陳 祥,王 定

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京 210098;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院,湖南長沙 410008)

1 叉樁的布置形式

高樁碼頭叉樁布置時,為避免與前后直樁碰樁,叉樁通常會偏轉(zhuǎn)1個角度;此外,高樁碼頭所承受的水平荷載并不一定是沿橫向的(如系纜力和水平地震荷載等),工程上往往要求叉樁還能在一定程度上抵抗其他方向的水平力[6-8],即需設置一定的扭角。樁基中不同位置叉樁的不同扭角方向便形成不同的叉樁布置形式。

1.1 非對稱布置

叉樁非對稱布置的碼頭結(jié)構(gòu)段的叉樁扭角方向一致,叉樁水平投影相互平行,樁基布置沿縱、橫兩個方向都不對稱,如圖1(a)。該布置形式的主要優(yōu)點是施工方便,扭角方向一致,打樁設備不需調(diào)整角度便可施打;不易發(fā)生碰樁,所有叉樁的水平投影都是平行的,只要前后叉樁水平投影不在同一條直線上就不會發(fā)生碰樁。不足之處是當承受垂直于叉樁扭角方向的水平地震荷載時,叉樁不能起到抵抗水平力的作用,不適合建于有較高抗震設防烈度要求的地區(qū)。

1.2 單軸對稱布置

單軸對稱又可分為橫軸對稱和縱軸對稱。橫軸對稱布置是指碼頭結(jié)構(gòu)段的叉樁扭角方向關(guān)于橫向中心線是對稱的,縱軸對稱布置是指碼頭結(jié)構(gòu)段的叉樁扭角方向關(guān)于縱向中心線是對稱的,如圖1(b),(c)所示。橫軸對稱樁基的主要優(yōu)點是承受橫向水平荷載時,高樁碼頭結(jié)構(gòu)段不會發(fā)生扭轉(zhuǎn),受力均勻;除中間兩排架叉樁需調(diào)整扭角和傾角外,其他叉樁一般都不會碰樁。缺點是在縱向水平荷載作用下結(jié)構(gòu)段會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn);需調(diào)整中間兩排架下的叉樁扭角和傾角,避免碰樁?？v軸對稱樁基的主要優(yōu)點是承受縱向水平荷載時,高樁碼頭結(jié)構(gòu)段不會發(fā)生扭轉(zhuǎn),受力均勻,施工較橫軸對稱樁基布置方便;其缺點是在樁較長時容易碰樁,在橫向水平荷載作用下結(jié)構(gòu)段會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

1.3 雙軸對稱布置

雙軸對稱布置形式如圖1(d)所示,碼頭結(jié)構(gòu)段的叉樁扭角關(guān)于縱、橫向中心線均對稱布置。樁基左端后叉樁和右端前叉樁的扭角為橫向順時針偏轉(zhuǎn),樁基右端后叉樁和左端前叉樁的扭角為橫向逆時針偏轉(zhuǎn)。這種布置形式的主要優(yōu)點是承受縱、橫向水平荷載時,高樁碼頭結(jié)構(gòu)段受力均勻,適合有較高抗震設防要求的地區(qū)。缺點是容易碰樁,為避免碰樁需調(diào)小叉樁的傾角,從而減小了叉樁抵抗水平力的能力;或調(diào)整前后叉樁的扭角,而使得叉樁沿縱、橫向并非完全對稱。

2 4種叉樁布置形式的結(jié)構(gòu)抗震性能比較

叉樁是高樁碼頭主要的側(cè)向受力構(gòu)件,不同的叉樁布置形式其抗震性能是不同的,為進一步了解叉樁布置形式對其抗震性能的影響,對以上4種叉樁布置形式進行了動力有限元分析,分別模擬其在縱、橫2個方向水平地震作用下結(jié)構(gòu)的動力響應。

2.1 地震反應分析方法

采用振型分解反應譜法[9-13]進行結(jié)構(gòu)地震響應分析。振型分解反應譜法是在振型分解法和反應譜法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的1種計算多自由度體系地震作用的方法。該方法利用振型分解法,將多自由度體系分解成若干個單自由度體系的組合,然后應用單自由度體系的反應譜理論來計算各振型的地震作用,再將各個獨立解進行組合疊加,得出總的反應,是抗震規(guī)范中推薦的方法[4]。

用反應譜法求解多自由度系統(tǒng)在地震荷載下的響應時,一般可先求出各振型的地震荷載,然后按靜力法求得結(jié)構(gòu)的其他動力響應,經(jīng)組合后求得結(jié)構(gòu)總響應。水平地震作用可用各質(zhì)點所受慣性力來代表,質(zhì)點j上的水平地震作用為

綜上所述，森林資源作為我國重要的資源之一，為我國經(jīng)濟的發(fā)展與社會的進步發(fā)揮著重要的作用。因此，我國要給予森林資源高度的重視，針對當前森林資源面臨的嚴峻的趨勢，制定合理的資源管理方案，加強對森林資源的全面管理，保護我國現(xiàn)有的寶貴資源。此外，在進行森林資源的開發(fā)利用過程當中，要堅持可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標，堅持經(jīng)濟效益與生態(tài)效益相互協(xié)調(diào)發(fā)展的策略，進而實現(xiàn)對森林資源的合理開發(fā)利用。

式中：Fjimax——i振型j質(zhì)點上的最大水平地震作用;mj——j質(zhì)點的質(zhì)量;ηi——i振型的參與系數(shù);δji——i振型j質(zhì)點的振型位移;Aaimax——系統(tǒng)在i振型中的最大絕對加速度,——地基水平運動最大加速度;βi——i階振型的動力放大系數(shù);K——地震系數(shù);wj——集中于j質(zhì)點的重力荷載標準值。

圖1 4種叉樁布置形式(單位：mm)Fig.1 Four types of forKpile arrangements(units：mm)

由式(1),結(jié)合抗震設計規(guī)范給出的設計反應譜(β譜),可求得對應于某一振型各質(zhì)點的最大水平地震作用,再按一般的結(jié)構(gòu)力學原理,把地震作用視為靜力荷載,可求得對應于各振型的地震作用效應Sj(彎矩、剪力、軸力、位移等)?？紤]到結(jié)構(gòu)振動時,相應于各振型的最大地震作用效應一般不會同時發(fā)生,我國現(xiàn)行的抗震設計規(guī)范規(guī)定[4],結(jié)構(gòu)的地震作用效應(彎矩、剪力、軸力和變形)按“平方和開方”公式(SRSS法)計算,即

2.2 計算模型

式中：SEK——水平地震作用標準值效應;Sj——j振型水平地震作用標準值的效應,可只取前2～3階振型。

2.2.1 工程概況

計算模型采用湛江某高樁碼頭的標準結(jié)構(gòu)段,結(jié)構(gòu)段長67.8 m,寬41.2 m,面板厚0.6m,碼頭面高程7.0m,設計碼頭前沿底高程-17.4m(當?shù)乩碚撟畹统泵?,PHC直樁外徑1200mm,壁厚150mm,底高程-38.0m;鋼管叉樁(傾斜度10∶1,3.5∶1),外徑1400mm,厚16mm,底高程-42.0m。橫梁截面尺寸2.4m×1.2m,軌道梁3.1m×1.2m,中縱梁2.1m×0.8m,前邊梁1.8m×0.5m,后邊梁2.1m×0.5m。

2.2.2 有限元模型的建立

a.計算參數(shù)。選取高樁碼頭前方樁臺1個結(jié)構(gòu)段,采用空間計算模型,利用大型通用有限元軟件ANSYS模擬水平地震作用下的結(jié)構(gòu)響應[14]。碼頭鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管樁采用線彈性本構(gòu)模型,各部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量密度、彈性模量和泊松比見表1。

模型的整體坐標為笛卡爾坐標,原點取在高樁碼頭結(jié)構(gòu)段的后邊梁左端下方高程為零處,X軸平行于碼頭縱梁,Y軸為垂直碼頭面方向向上,Z軸平行于碼頭橫梁,指向臨水側(cè)。

表1 材料物理參數(shù)Table1 Material physical parameters

b.計算單元及邊界條件。碼頭縱橫梁、鋼管樁及PHC樁采用梁單元beam188模擬,面板用殼單元shell43模擬,縱橫梁通過截面偏置模擬梁和面板的實際相對位置,鋼管樁和PHC樁樁頂與縱橫梁及面板固結(jié),樁端采用彈性嵌固點法考慮,土對樁的垂直約束由樁軸向的彈簧單元combin43模擬,彈性長樁的受彎嵌固點深度用m法計算。

2.2.3 地震反應譜的選取

碼頭所在區(qū)域的地震設防烈度為7度,根據(jù)本工程土層地質(zhì)情況,場地類別為Ⅲ類場地。結(jié)構(gòu)常阻尼比取為η=0.05,水平地震系數(shù)0.1,采用文獻[4]推薦的 β譜曲線進行水平地震響應分析。

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

通常情況下,地震引起的系統(tǒng)內(nèi)力前幾階振型的影響比較大。因此,在結(jié)構(gòu)抗震計算中,只需取前面幾個振型就可以滿足實際工程的需要。筆者采用分塊蘭索斯(blocKlanczos)法對不同樁基布置的碼頭結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析[14],樁基布置如圖1所示,其扭角大小均為20°。其前4階模態(tài)的固有頻率及各方向振型參與系數(shù)見表2。

表2 前4階振型頻率及各方向振型參與系數(shù)Table2 Previous four modal frequencies and participation factors

2.3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移分析

對上述4種叉樁布置形式的碼頭結(jié)構(gòu),在縱、橫2個方向進行水平地震激勵,得到結(jié)構(gòu)段位移和樁內(nèi)力的最大值(表3～表4)。

表3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應最大值Table3 Maximum response of structural internal force

表4 結(jié)構(gòu)位移響應最大值Table4 Maximum responseof structural displacement

從表3～表4可以看出,縱向地震作用下,樁基為橫軸對稱布置時,結(jié)構(gòu)總位移最大,相應的縱向位移也最大;樁基為非對稱布置時,樁彎矩及樁剪力均較大。橫向地震作用下,樁基為縱軸對稱布置時,結(jié)構(gòu)總位移最大,其樁軸力、扭矩、彎矩、及剪力也均最大;在不同方向的水平地震作用下,雙軸對稱布置形式結(jié)構(gòu)段的扭矩、合成彎矩及合成剪力均較小。由此可見,在叉樁不碰樁的情況下,雙軸對稱樁基布置形式是最優(yōu)的,尤其是在較高地震設防要求的地區(qū),地震荷載方向的隨機性要求高樁碼頭在各個方向都能抵抗水平地震作用,而雙軸對稱樁基布置形式的結(jié)構(gòu)響應比其他形式相對較小。

相對于非對稱布置形式,在橫向水平地震作用時,橫軸對稱樁基布置形式結(jié)構(gòu)位移和樁內(nèi)力均較小?？梢?在橫向水平荷載為主的情況下,橫軸對稱樁基布置形式相比非對稱布置形式更合理。

3 結(jié) 論

以湛江某高樁碼頭結(jié)構(gòu)段建立有限元模型,采用反應譜法對水平地震作用橫向、縱向輸入進行了地震動力響應分析,對高樁碼頭叉樁不同布置形式結(jié)構(gòu)內(nèi)力特性進行分析,得出以下幾點結(jié)論：

a.在不同方向的水平地震作用下,叉樁非對稱布置形式結(jié)構(gòu)段的樁內(nèi)力均較大,因此,在高樁碼頭抗震設計中應盡量避免采用該種形式。

b.樁基橫軸對稱布置時,結(jié)構(gòu)的縱向剛度較小,在縱向地震作用下,結(jié)構(gòu)整體位移最大,但這種布置形式在橫向水平地震作用時,整體最大位移和樁內(nèi)力均較小,因此當結(jié)構(gòu)主要承受橫向水平荷載時,可優(yōu)先考慮采用樁基橫軸對稱布置。

c.在有較高地震設防要求的地區(qū),由于地震荷載方向的隨機性,要求高樁碼頭在各個方向都能抵抗水平地震作用,而雙軸對稱布置形式的結(jié)構(gòu)響應比其他形式相對較小,在叉樁不會碰樁的情況下,采用樁基雙軸對稱布置形式較為合理。

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