譚慧明，焦志斌，梅濤濤

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京210029）

地震作用下分離卸荷式板樁碼頭動力響應(yīng)研究

譚慧明1，2，焦志斌3，梅濤濤1，2

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京210029）

本文對水平向地震作用下的分離卸荷式板樁碼頭動力響應(yīng)進行了有限元數(shù)值模擬。對碼頭施工過程進行了模擬，通過與現(xiàn)場試驗結(jié)果對比，檢驗了有限元模型的合理性和正確性，并進行了不同強度地震作用下分離卸荷式板樁碼頭的動力響應(yīng)數(shù)值計算。結(jié)果表明：在水平向地震荷載作用下，前墻-拉桿-錨碇墻以及前樁-后樁-卸荷平臺均能形成整體結(jié)構(gòu)受力體系，仍然發(fā)揮承擔(dān)荷載的作用；后樁的彎矩方向在動力作用下可能發(fā)生改變，但前墻、前樁和錨碇墻的彎矩方向基本不變；隨著地震峰值加速度的增大，前墻、前樁、后樁、錨碇墻以及拉桿的最大內(nèi)力值都呈現(xiàn)為不同比例的增大，其中前墻彎矩增幅最大，錨碇墻彎矩和拉桿拉力的增幅次之，前樁和后樁的彎矩增幅最小，表現(xiàn)出了碼頭結(jié)構(gòu)分離卸荷的特點。

板樁碼頭；動力響應(yīng)；地震波；結(jié)構(gòu)內(nèi)力

1 研究背景

板樁碼頭因其施工方便、造價低和耐久性好等優(yōu)點而被廣泛使用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，碼頭建設(shè)也正在向大型化、深水化，一種新的板樁碼頭結(jié)構(gòu)被提出——分離卸荷式板樁碼頭［1-2］。分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)主要由前墻、錨碇墻、拉桿以及卸荷平臺體系組成，是通過卸荷平臺體系承載碼頭上部結(jié)構(gòu)等荷載，以達到減小前墻荷載，加大港池開挖深度的效果。目前這種板樁碼頭結(jié)構(gòu)已經(jīng)在唐山港區(qū)成功應(yīng)用于10萬噸級碼頭，效果良好［3］。

已經(jīng)有一些學(xué)者對這種新的板樁碼頭展開了研究［4-5］，目前主要是針對其可行性以及靜力承載特性等展開，但實際震害調(diào)查表明，地震動力作用和土層液化都會造成板樁碼頭結(jié)構(gòu)的破壞［6］。板樁碼頭的抗震設(shè)計目前主要采用擬靜力法和動力法。Susumu Iai等［7］采用有限元有效應(yīng)力法對地震作用下的兩座板樁碼頭結(jié)構(gòu)進行了計算分析。Samuel R.Christie等［8］采用有限元法對地震作用下板樁碼頭進行了計算，結(jié)果表明動力計算結(jié)果與擬靜力計算結(jié)果在動力增量方面是相當?shù)??？紤]到關(guān)于地震作用下分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的研究還少有開展，為了闡明其動力響應(yīng)特點，本文以分離卸荷式板樁碼頭工程實際為原型，建立有限元數(shù)值分析模型，對水平地震作用下的分離卸荷式板樁碼頭進行計算分析，研究其在不同強度水平地震作用下的動力響應(yīng)。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算原型以唐山港試驗碼頭為原型，采用有限元數(shù)值模擬方法進行動力計算。通過現(xiàn)場鉆孔取樣并進行室內(nèi)試驗獲得各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標（見表1）。分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)示意見圖1。

試驗碼頭結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計方案是：前墻厚1.05 m，其上澆筑混凝土胸墻；在墻后設(shè)有鋼筋混凝土承臺（厚度1 m），承臺基礎(chǔ)由兩根灌注樁組成，樁間距為5.25 m，灌注樁的縱向間距為4.4 m，海側(cè)樁離碼頭前沿線4.0 m，由1.2 m×1.6 m灌注方樁組成；陸側(cè)樁為1.2 m×1.2 m灌注樁。在胸墻和錨碇墻之間采用Q345?95的拉桿連接；錨碇墻厚為1.1 m。碼頭施工主要分成結(jié)構(gòu)施工期、前沿浚深期和上部結(jié)構(gòu)安裝期，其中碼頭浚深挖泥深度為16.0 m。碼頭前沿15.5 m范圍內(nèi)的均布荷載為30 kPa，15.5 m范圍以外的均布荷載為80 kPa。

表1 土層主要物理力學(xué)指標

圖1 分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)

2.2 計算模型圖2為有限元計算模型。計算主要分為靜力和動力計算。靜力計算主要考慮了碼頭施工的主要過程；動力計算是指在靜力計算的基礎(chǔ)上，施加水平向地震作用，進行碼頭結(jié)構(gòu)動力時程分析。

圖2 分離卸荷式板樁碼頭有限元計算模型

由于墻體混凝土的模量遠大于土體的模量，所以在有限元計算模型中混凝土材料采用線彈性材料來模擬。由于采用二維有限元進行計算，因此以樁間距范圍內(nèi)抗彎剛度相同為原則，樁體采用等效的板單元來模擬。前墻與錨碇墻之間的拉桿采用錨桿單元來模擬，為了能反映拉桿的實際工作狀態(tài)，給其施加50 kN/m的預(yù)張拉力。各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算參數(shù)見表2。

土體采用摩爾-庫倫模型，土體參數(shù)見表1。采用彈塑性模型來模擬土與結(jié)構(gòu)的接觸面，根據(jù)土體強度和強度折減因子確定界面參數(shù)，本文強度折減系數(shù)取為0.7。

表2 碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算參數(shù)

在靜力計算中認為有足夠的排水穩(wěn)定時間，所以此階段中土體是排水的；在動力計算中，由于作用時間較短，所以認為此階段土體是不排水的。在動力計算中，本文還考慮了材料的阻尼特性，采用常用的瑞利阻尼來模擬材料阻尼。

為了保證計算結(jié)果的正確性，需要為模型設(shè)置適當?shù)倪吔鐥l件。對于靜力計算，在模型左、右設(shè)置水平位移約束，在底部設(shè)置豎向位移約束。對于動力計算，模型左、右邊界采用黏滯吸收邊界［9］模擬無限遠處邊界，避免應(yīng)力波在模型邊界處反射而在模型內(nèi)來回振蕩，影響計算結(jié)果。

在靜力計算部分，荷載主要是指結(jié)構(gòu)與土體的自重作用以及上部荷載，地下水位設(shè)置在-1.5 m處。動力計算中，在模型底部施加水平方向的動力加速度時程。為了分析不同強度地震作用下碼頭結(jié)構(gòu)的動力影響，將加速度時程按照下式進行調(diào)整

另外，為了分析不同加速度時程對板樁碼頭動力響應(yīng)的影響，在模型底部施加EL-Centro波進行計算，標準化處理后的地震波（峰值加速度加速度時程見圖3，采樣時間間隔均為0.02 s。

圖3 標準化EL-Centro波加速度時程

2.3 模型驗證前墻是碼頭的重要結(jié)構(gòu)，其主要承擔(dān)海側(cè)和陸側(cè)土壓力差造成的水平力，前墻彎矩是設(shè)計的重要參數(shù)。圖4給出了靜力條件下前墻彎矩的實測值和有限元計算值，其中實測值是觀測期末的觀測結(jié)果。從圖4可以看出，實測值和計算值都表明前墻彎矩存在明顯的拐點，拐點接近疏浚開挖的深度。在有限元計算結(jié)果中，拉桿錨碇處存在較小的拐點，與實測值不符，是由于現(xiàn)場試驗中該段前墻與胸墻組合在一起，厚度增大，而在有限元模型中并未考慮墻厚的變化。

圖5為前樁（海側(cè)樁）彎矩分布圖。從圖5可以看出，樁身彎矩沿深度分布也存在拐點，拐點以上前墻海側(cè)面受拉、陸側(cè)面受壓（負彎矩），拐點以下陸側(cè)面受拉、海側(cè)面受壓（正彎矩），但拐點位置計算值與實測值有差異。樁身的最大彎矩值大于前墻最大彎矩值，說明卸荷承臺體系起到了很好的承擔(dān)后方土壓力及上部荷載的作用，有效減小了作用于前墻的荷載。

在整個板樁碼頭結(jié)構(gòu)中，拉桿起到了將前墻、錨碇墻聯(lián)系起來的關(guān)鍵作用。拉桿最大拉力試驗結(jié)果分別為321kN，有限元計算結(jié)果為446.1kN。

綜合比較圖4、圖5現(xiàn)場試驗結(jié)果和有限元計算結(jié)果，有限元計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果基本吻合，能反映出卸荷承臺體系在碼頭結(jié)構(gòu)中起到了承擔(dān)水平土壓力、減小前墻荷載的作用。有限元計算結(jié)果基本反映了前墻、樁體以及拉桿等主要構(gòu)件內(nèi)力分布規(guī)律，有限元計算模型是可信的，可以作為動力分析的計算基礎(chǔ)。

圖4 靜力條件下前墻彎矩分布

圖5 靜力條件下前樁彎矩分布

圖6 不同峰值加速度作用下前墻彎矩包絡(luò)圖

3 計算結(jié)果分析

3.1 前墻圖6是不同峰值加速度作用下前墻彎矩包絡(luò)圖。從圖6可以看出，在前墻上段以負彎矩為主（海側(cè)受拉、陸側(cè)受壓），下半段以正彎矩為主（海側(cè)受壓、陸側(cè)受拉），彎矩變化明顯，存在明顯的拐點。隨著峰值加速度的增大，前墻的彎矩不斷增大。從沿深度分布來看，彎矩的最大值總是出現(xiàn)在碼頭浚深開挖深度范圍內(nèi)，且都為負彎矩；由于土體的約束作用，前墻下部埋深段（-16 m以下）彎矩值明顯變小，這表明土體對前墻的嵌固作用良好；但是隨著地震強度的增大，彎矩變化的拐點是不斷降低的，說明土體對前墻的約束作用是減弱的。從計算結(jié)果也可以看出，地震波強度對前墻正彎矩包絡(luò)線基本沒有影響。

圖7是不同峰值加速度作用下前墻最大彎矩變化曲線。從圖中7可以看出，隨著地震波峰值加速度的增大，前墻承擔(dān)的荷載是增大的，前墻最大彎矩也是不斷增大的，且這種增大是十分明顯的，與靜力狀態(tài)相比最大放大倍數(shù)為3.26。

圖7 不同峰值加速度作用下前墻最大彎矩變化曲線

3.2 前樁（海側(cè)樁）圖8是不同峰值加速度作用下前樁彎矩包絡(luò)圖。從圖8可以看出，在前樁上段以負彎矩為主，下半段以正彎矩為主，彎矩變化明顯，存在明顯的拐點。隨著峰值加速度的增大，前樁的彎矩不斷增大。從沿深度分布來看，最大彎矩均為負彎矩；隨著峰值加速度的增大，最大彎矩的位置有下移的趨勢，前樁負彎矩的拐點位置也相應(yīng)降低。負彎矩拐點的存在同時也表明，在整個地震時程作用過程中在前樁的下部都不會出現(xiàn)負彎矩，即使峰值加速度增大至0.5 g時也基本不會出現(xiàn)，土體對前樁的嵌固作用良好。計算結(jié)果還表明，地震波強度對前樁正彎矩包絡(luò)線基本沒有影響。

圖9反映了不同峰值加速度作用下前樁最大彎矩變化規(guī)律。從圖9可以看出，隨著峰值加速度的增大，前樁承擔(dān)的荷載增大，其最大彎矩也顯著增大，與靜力狀態(tài)相比最大放大倍數(shù)為1.96。與前墻最大彎矩放大倍數(shù)相比，前樁最大彎矩放大倍數(shù)較小。

3.3 后樁（陸側(cè)樁）圖10是不同峰值加速度作用下后樁彎矩包絡(luò)圖。從圖10可以看出，后樁的下半段會出現(xiàn)明顯負彎矩。隨著峰值加速度的增大，后樁的彎矩不斷增大。從沿深度分布來看，最大彎矩均為負彎矩；隨著峰值加速度的增大，最大彎矩的位置略有下移，但基本在-6 m左右。與前樁相比，后樁的彎矩明顯較小，前樁的最大彎矩值基本為后樁最大值的2.2倍左右，而其抗彎剛度比為2.37，這說明在地震作用下前樁和后樁的變形是比較接近的，同時也說明在卸荷承臺結(jié)構(gòu)體系中，平臺起到了很好的連接作用，協(xié)調(diào)了前樁和后樁的變形。但是前樁和后樁在彎矩分布上仍表現(xiàn)出了不同的特點，在前樁下段部分基本不會出現(xiàn)負彎矩，而后樁的下段部分（約-23 m以下）基本都會出現(xiàn)負彎矩，而且隨著荷載的增大，該段出現(xiàn)的負彎矩會越來越大。

圖8 不同峰值加速度作用下前樁彎矩包絡(luò)圖

圖9 不同峰值加速度作用下前樁最大彎矩變化曲線

圖11反映了不同峰值加速度作用下后樁最大彎矩變化規(guī)律。從圖11可以看出，隨著峰值加速度的增大，后樁承擔(dān)的荷載增大，最大彎矩也顯著增大，與靜力狀態(tài)相比最大放大倍數(shù)為1.97，小于前墻的放大倍數(shù)。由于在水平向地震作用下平臺剛度較大，對前樁和后樁的動力響應(yīng)起到了協(xié)調(diào)的作用，使得前樁和后樁的最大彎矩放大倍數(shù)比較接近。

圖10 不同強度地震作用下后樁彎矩包絡(luò)圖

圖11 不同強度地震作用下后樁最大彎矩變化曲線

3.4 錨碇墻圖12是不同峰值加速度作用下錨碇墻彎矩包絡(luò)圖。從圖12可以看出，錨碇墻基本以正彎矩為主，頂部出現(xiàn)的局部負彎矩也是由于忽略實際中墻體加厚所造成的。隨著峰值加速度的增大，錨碇墻的彎矩不斷增大。從沿深度分布來看，最大彎矩均為正彎矩；隨著峰值加速度的變化，最大彎矩的位置基本接近（-5 m左右）。與其他結(jié)構(gòu)相比，錨碇墻彎矩值增加也是比較顯著的，大于前樁和后樁彎矩增大的幅度，但小于前墻增大的幅度。這表明錨碇墻通過拉桿的連接，與前墻等形成了整體結(jié)構(gòu)受力體系，共同承擔(dān)了地震引起的附加荷載。

圖12 不同強度地震作用下錨碇墻彎矩包絡(luò)圖

圖13反映了不同峰值加速度作用下錨碇墻最大彎矩變化規(guī)律。從圖13可以看出，隨著峰值加速度的增大，錨碇墻承擔(dān)的荷載增大，錨碇墻最大彎矩也顯著增大，與靜力狀態(tài)相比最大放大倍數(shù)為2.65，小于前墻的放大倍數(shù)，但大于前樁和后樁的放大倍數(shù)。

3.5 拉桿圖14反映了不同峰值加速度作用下拉桿最大拉力變化規(guī)律。從圖14可以看出，隨著波峰值加速度的增大，拉桿的最大拉力增大，但增幅減小，最后基本趨于穩(wěn)定，與靜力狀態(tài)相比最大放大倍數(shù)為2.34，與錨碇墻的放大系數(shù)比較接近，這也說明拉桿是保證錨碇墻發(fā)揮作用的關(guān)鍵，在靜力和動力條件下都必須保證拉桿的安全性，才能使得碼頭各構(gòu)件形成整體協(xié)同發(fā)揮作用。

圖14 不同峰值加速度作用下拉桿最大拉力變化曲線

在不同強度的地震作用下，分離卸荷式板樁碼頭各個構(gòu)件的動力響應(yīng)基本是相同的，即隨著峰值加速度的增大，各結(jié)構(gòu)的最大內(nèi)力增大，但增大的幅度是有差異的。從結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力放大倍數(shù)來看，隨著峰值加速度的增大，前墻最大彎矩增幅最大，錨碇墻彎矩和拉桿拉力的增幅次之，卸荷承臺體系的前樁和后樁彎矩增幅最小。這主要是由于前墻兩側(cè)土層分布不對稱，在地震作用下，前墻不對稱土壓力荷載作用更加明顯，導(dǎo)致前墻彎矩等增大；前墻與錨碇墻通過拉桿有效連接，前墻荷載的增大也引起了拉桿和錨碇墻內(nèi)力的增大；而對于卸荷承臺體系而言，由于和前墻等結(jié)構(gòu)分開，相對比較獨立，且平臺水平向抗彎能力較強、樁體全部埋于土層中，所以前樁和后樁的彎矩增大幅度相對較小。

4 結(jié)論

針對分離卸荷式板樁碼頭這種新型的深水型碼頭，通過有限元數(shù)值模擬的方法對其在靜力狀態(tài)及水平向動力荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行了計算和分析。主要結(jié)論如下：（1）與靜力狀態(tài)相比，在地震荷載作用下，碼頭各個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力都有不同程度的增大，其中前墻彎矩、錨碇墻彎矩和拉桿拉力的增幅接近，卸荷承臺體系的前樁和后樁彎矩增幅接近，表明在地震作用下前墻-拉桿-錨碇墻仍能形成整體，前樁-后樁-卸荷平臺也仍能形成卸荷承臺結(jié)構(gòu)體系，分離卸荷作用仍然可以很好的發(fā)揮承擔(dān)荷載的作用；（2）不同峰值加速度作用下，前墻、前樁和后樁的最大彎矩均為負彎矩（海側(cè)受拉），而錨碇墻的最大彎矩為正彎矩（海側(cè)受壓）；前墻和前樁的下段部分在整個地震作用過程中都基本不會出現(xiàn)負彎矩，后樁的下段部分則會出現(xiàn)負彎矩，且隨著地震強度的增大而增大；（3）隨著峰值加速度的增大，前墻、前樁、后樁、錨碇墻以及拉桿的最大內(nèi)力值都呈現(xiàn)為不同比例的增大，其中前墻彎矩增幅最大，錨碇墻彎矩和拉桿拉力增幅次之，前樁和后樁的增幅最小。拉桿在前墻和錨碇墻之間起到了很好的連接作用，卸荷平臺也將前樁和后樁連接成整體結(jié)構(gòu)受力體系，共同承擔(dān)了地震引起的附加荷載。

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Dynamic behavior of sheet pile wharf with separated relieving platform under seismic loads

TAN Huiming1，2，JIAO Zhibin3，MEI Taotao1，2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education，Hohai University，Nanjing210098，Chian；2.College of Harbour Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China；3.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Ninjing210029，China）

The dynamic responses of sheet pile wharf with separated relieving platformunder horizontal earthquake wave loads have been analyzed by finite element method（FEM）.Firstly,the construction pro?cess of wharf has been simulated，compared to the results of testing in situ and FEM computation，the FEM model and results have been verified，and furthermore the seismic simulation has been made.The cal?culating results show that:the front wall-tie rod-anchor wall system and front pile-back pile-platform sys?tem can both work integrally，and the separated relieving platform system can also carry the loads under the different seismic loads.The direction of bending moment of back pile has been changed with the differ?ent earthquake waves，but those of front pile，front wall and anchor wall were not varied basically.With the increase of earthquake wave peak ground acceleration（PGA），the internal forces of wharf structures（front wall，front pile，back pile，anchor pile and tie rod）have been increased in different gradient.The increment of the max bending moment of front wall is the largest，the increments of the max bending mo?ment of front pile and back pile are the smallest，and the increments of the max bending moment of an?chor wall and the max tension force of tie rod are in the middle，which also shows the separated relieving effect of platform under seismic loads.

sheet pile wharf；dynamic response；earthquake wave；structure internal force

TU473

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.02.009

1672-3031（2015）02-0136-07

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2014-10-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（51309087）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目（2013B31414）

譚慧明（1980-），江蘇宜興人，副教授，博士，主要從事海洋巖土工程及防災(zāi)減災(zāi)等研究。E-mail：thming2008@163.com