丁俊凱 李強(qiáng) 臧傳海

【摘 要】 為更好地研究港口浮碼頭中橋臺(tái)墩的位移響應(yīng)、動(dòng)力響應(yīng)特性和振動(dòng)產(chǎn)生的原因，采用非線性有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行二維數(shù)值仿真模擬，并比較實(shí)測位移數(shù)據(jù)得到理論位移曲線。最后與現(xiàn)場工程固定樁墩結(jié)構(gòu)的實(shí)測位移曲線進(jìn)行擬合對(duì)比分析，顯示模擬結(jié)果與實(shí)際工程狀況符合較好，表明鋼引橋的推動(dòng)力和波浪的動(dòng)力作用是造成樁墩振動(dòng)的主要原因，對(duì)解決相關(guān)工程結(jié)構(gòu)施工安全問題具有實(shí)際意義。

【關(guān)鍵詞】 固定樁墩;鋼引橋;波浪力;動(dòng)力響應(yīng)

0 引 言

港口浮碼頭是由浮躉船、固定樁墩、鋼引橋、錨鏈和一些支撐體系構(gòu)成的建筑物。

船舶在靠離碼頭時(shí)，船體會(huì)對(duì)浮碼頭承臺(tái)樁體產(chǎn)生碰撞、擠壓和摩擦，加上近海波浪力、風(fēng)力環(huán)境的共同作用，對(duì)浮碼頭穩(wěn)定性的要求也越來越高。浮碼頭運(yùn)營過程中的受力因素較為復(fù)雜，需要建立物理模型進(jìn)行研究。本文基于有限元軟件建立擴(kuò)展D-P本構(gòu)關(guān)系二維模型模擬浮碼頭中固定樁墩，研究浮碼頭樁―土相互作用、結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)、信號(hào)處理和動(dòng)力響應(yīng)分析等方面內(nèi)容。

本文基于MATLAB編程處理振動(dòng)加速度信號(hào)，結(jié)合某碼頭工程，對(duì)實(shí)際工程中存在的浮碼頭振動(dòng)問題進(jìn)行現(xiàn)場測試與分析，認(rèn)為在復(fù)雜環(huán)境條件下引起浮碼頭固定樁墩振動(dòng)的原因是浮躉船在波浪、風(fēng)等自然條件作用下造成的鋼引橋振動(dòng)和波浪力直接作用于固定樁墩而引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。為驗(yàn)證這一假設(shè)，測試了結(jié)構(gòu)和鋼引橋振動(dòng)，根據(jù)測試結(jié)果分析了結(jié)構(gòu)的雙自由度方向振動(dòng)位移變化，使用Abaqus數(shù)值模擬建立了二維樁墩模型，計(jì)算得出數(shù)據(jù)曲線（樁墩的位移振動(dòng)曲線），并與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比。測試結(jié)果驗(yàn)證了這一假設(shè)。

1 碼頭工程概況與現(xiàn)場測試

1.1 碼頭工程概況

某海港碼頭擴(kuò)建工程是在舊固定樁墩外側(cè)新修建一段橋臺(tái)墩（見圖1，x軸為順岸水平方向，y軸為垂岸水平方向，z軸為豎直方向）。橋臺(tái)墩在順岸兩邊與鋼引橋通過兩個(gè)部件直接連接，浮躉船與鋼引橋之間有鋼吊架和鋼梁，用側(cè)樁柱和錨鏈固定浮躉船。橋臺(tái)墩尺寸為14 m 1.8 m，由9根（3）的直徑為0.8 m的管樁組成，樁與樁距離為5 m。鋼引橋使用21 m?m的鋼管傾斜放置，斜率是1︰7。單座鋼引橋質(zhì)量約19.28 t。

1.2 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試使用KD1100LC儀器測量，分為3組。測試點(diǎn)位置見圖2，分別為A、B、C，B、C、D，D、E等3組測試點(diǎn)，前兩組測試點(diǎn)在固定樁墩上，第三組測試點(diǎn)則在固定樁墩和鋼引橋上。所有的測試點(diǎn)均測量豎直、順岸、垂岸等3個(gè)方向的數(shù)值。

1.3 測試數(shù)據(jù)與分析

使用MATLAB軟件編寫頻率積分程序，繪制豎直、順岸、垂岸等3個(gè)自由度方向?qū)崪y位移曲線，分析經(jīng)頻域積分處理的固定樁墩豎直方向、垂岸方向及順岸方向的實(shí)測位移曲線和鋼引橋豎直方向、垂岸方向及順岸方向的實(shí)測位移曲線，得出以下結(jié)論：

（1）固定樁墩豎直方向最大位移約為0.8 mm，垂岸方向最大位移為2 mm，順岸方向最大位移為8 mm。

（2）鋼引橋豎直方向最大位移約2 mm，垂岸方向最大位移為10 mm，順岸方向最大位移為10 mm。

（3）無論哪個(gè)方向，鋼引橋的振動(dòng)幅度都要大于固定樁墩的振動(dòng)幅度。鋼引橋和固定樁墩在順岸和垂岸兩個(gè)水平方向的位移都比豎直方向大得多，與實(shí)測情況基本吻合。

2 浮碼頭中固定樁墩有限元分析

2.1 平臺(tái)模型

浮碼頭固定樁墩由橋臺(tái)墩、管樁和土體組成（見圖3）。

圖3中，E點(diǎn)、F點(diǎn)為橋臺(tái)墩與鋼引橋的接觸點(diǎn)，鋼引橋?qū)潭抖盏淖饔糜射撘龢蜃陨淼闹亓弯撘龢蛘駝?dòng)力共同引起。分別在E點(diǎn)、F點(diǎn)施加同向豎直方向力f1、f3，逆向水平方向施加力f2、f4。若m為鋼橋?qū)c(diǎn)E、F點(diǎn)施加的自身質(zhì)量，a為模擬數(shù)據(jù)加速度或者現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)加速度，則f=ma。

2.2 簡化模型的剛度等效

使用二維模型進(jìn)行計(jì)算，會(huì)因?yàn)榫S度原因產(chǎn)生誤差，因此要將二維模型和三維模型在水平方向上的剛度進(jìn)行等效。

2.3 實(shí)測與模擬結(jié)果

由于模型只對(duì)水平方向進(jìn)行等效，沒有對(duì)豎直方向進(jìn)行等效，因此只對(duì)水平方向模擬效果進(jìn)行分析，而不考慮豎直方向數(shù)據(jù)。

2.3.1 模擬信號(hào)計(jì)算結(jié)果

在圖3 E點(diǎn)、F點(diǎn)處加集中力，得到模擬信號(hào)加速度曲線。通過數(shù)學(xué)物理方法，考察E點(diǎn)、F點(diǎn)相位變化，計(jì)算兩點(diǎn)之間的相位差，從而模擬現(xiàn)場的振動(dòng)時(shí)間差。假設(shè)E點(diǎn)、F點(diǎn)初始時(shí)間t0為0.10 s、0.20 s、0.30 s、0.40 s、0.50 s、0.60 s，將這兩點(diǎn)的曲線導(dǎo)入軟件進(jìn)行計(jì)算，得出兩點(diǎn)在水平方向位移的結(jié)果，見圖4、圖5：

由圖4和圖5可知，E點(diǎn)和F點(diǎn)兩點(diǎn)在水平方向上初始時(shí)間（相位差）變大，豎直方向的位移值也在不斷變化。當(dāng)t0為0.2 s時(shí)，相位差達(dá)到最大值，即振幅最大，相位差的描述可以簡化為在E、F兩點(diǎn)水平方向加同方向和同大小的作用力f，即f2=f4，這時(shí)在水平方向達(dá)到振幅的峰值;當(dāng)t0為0.4 s時(shí)，相位差最小，即振幅最小，相位差的描述可以簡化為在E、F兩點(diǎn)水平方向加反方向同大小的作用力f，即f2=-f4，這時(shí)在水平方向上達(dá)到振幅的谷值。振幅的數(shù)值在兩個(gè)相位差之間變化，存在極值。由圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)幅值周期與水平和豎直加速度信號(hào)的施加有一定的關(guān)系。

2.3.2 實(shí)測信號(hào)計(jì)算與橫向穩(wěn)定性分析

實(shí)際工程中的振幅受到多種因素影響，情況較為復(fù)雜?？梢韵瓤紤]模擬單一波浪力作用因素下E點(diǎn)、F點(diǎn)的二維模型水平方向位移，見圖6。在以上數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過處理，提取鋼引橋測試點(diǎn)同一10 s時(shí)段內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)（見圖7），相當(dāng)于在兩點(diǎn)施加集中力，將現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件?？紤]承臺(tái)兩邊加速度相位變化因素，用同向和反向加速度模擬現(xiàn)實(shí)中相位差變化引起的振動(dòng)幅值變化。

E點(diǎn)和F點(diǎn)在水平方向上的加速度為a2、a4，豎直方向上的加速度為a1、a3。E點(diǎn)、F點(diǎn)的同向加速度在水平和豎直方向上的加速度一致，水平方向相反即a2=-a4，豎直方向相同即a1=a3，結(jié)果見圖8，可見其振動(dòng)波形與波浪力作用下的振型相同，說明E點(diǎn)、F點(diǎn)的水平集中荷載處于同向加速度的情況下會(huì)互相抵消，耦合振動(dòng)為最小值。

E點(diǎn)、F點(diǎn)的反向加速度在水平方向上相同即f2=f4，在豎直方向上相反即f1=-f3，結(jié)果見圖9;E點(diǎn)、F點(diǎn)振動(dòng)波形與圖7情形相比，變化較大，說明E點(diǎn)、F點(diǎn)的水平集中荷載處于反向加速度的情況下振動(dòng)更加明顯，耦合振動(dòng)為最大值。

結(jié)合圖8、圖9，模擬固定樁墩的二維模型的振動(dòng)，得到的最大振幅范圍為 6～6 mm。固定樁墩順岸方向?qū)崪y位移信號(hào)見圖10，位移信號(hào)曲線比較接近反向加速度的模擬曲線。從圖10可知，由鋼引橋的推動(dòng)力所引起的位移變化大約是由波浪力引起的位移變化的10倍，可以得出現(xiàn)實(shí)中鋼引橋?qū)潭抖赵斐傻淖饔妹黠@大于波浪力對(duì)固定樁墩造成的作用的結(jié)論。

2.4 結(jié) 論

通過對(duì)固定樁墩實(shí)測位移和二維模擬位移進(jìn)行擬合對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

二維模擬固定樁墩位移在水平方向上的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為接近，而在豎直方向的模擬結(jié)果比實(shí)測結(jié)果小，原因是二維模型在豎直方向沒有對(duì)進(jìn)行剛度等效。

本文所做的有限元模型分析中，固定樁墩的振動(dòng)主要由兩個(gè)因素引起，鋼引橋的振動(dòng)作用和波浪力的推動(dòng)作用。其中鋼引橋的振動(dòng)是樁墩振動(dòng)的主要原因，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測振動(dòng)信號(hào)基本一致，符合實(shí)際情況。

波浪對(duì)港口浮碼頭建筑物的作用是波浪力、風(fēng)力等自然因素與固定樁墩、鋼引橋、浮躉船等結(jié)構(gòu)共同互動(dòng)作用的結(jié)果，需要通過建立物理、幾何模型進(jìn)行分析研究。通過對(duì)某港口浮碼頭設(shè)計(jì)方案的振動(dòng)作用的物理、幾何模擬，表明當(dāng)處于極端天氣下，波浪對(duì)港口浮碼頭的推動(dòng)作用更加明顯，對(duì)于港口浮碼頭固定樁墩的設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求。

3 結(jié) 語

本文研究了港口浮碼頭在復(fù)雜環(huán)境下波浪力作用下鋼引橋共振和固定樁墩自振的耦合振動(dòng)問題，并建立二維數(shù)值模型對(duì)橋臺(tái)墩的剛度數(shù)據(jù)等效處理后利用有限元法進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析，將實(shí)測加速度信號(hào)頻域積分位移數(shù)值結(jié)果，與數(shù)值模擬位移數(shù)值結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)比，分析影響浮碼頭結(jié)構(gòu)中固定樁墩的雙自由度振動(dòng)的因素，得出以下結(jié)論：港口浮碼頭中固定樁墩的振動(dòng)的主要因素是鋼引橋的推動(dòng)力和波浪的動(dòng)力作用。