陳楓 江蘇興宇傳工程設(shè)計(jì)有限公司

1.引言

隨著我國水利設(shè)施建設(shè)、港口碼頭的不斷發(fā)展，目前結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性已經(jīng)成為了一大亟待解決的問題。碼頭結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要包括高樁碼頭、板樁碼頭以及重力式碼頭等。其中，高樁碼頭指的是一種修建于軟弱地基上的碼頭結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)包括自重輕、結(jié)構(gòu)簡單等，這種碼頭的一種結(jié)構(gòu)形式是混凝土高樁基礎(chǔ)，根據(jù)地面與樁的傾斜角度的不同，可以將其劃分為叉樁和直樁。混凝土叉樁作為一種受力構(gòu)件，其主要作用是承擔(dān)來自于水平側(cè)向荷載與上部結(jié)構(gòu)的力，由于其有著清晰的傳力路徑，當(dāng)存在外部荷載時，即刻通過樁身逐漸傳遞到地基，從而盡量減少碼頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)移變形的問題。

高樁碼頭在港口工程中較為常見，在高樁碼頭結(jié)構(gòu)中，最關(guān)鍵的組成是樁基。在本文中，主要分析研究了在設(shè)計(jì)高樁碼頭樁基的過程中所出現(xiàn)的各種技術(shù)問題。

在服役的過程中，高樁碼頭結(jié)構(gòu)不但能在正常的工作環(huán)境下承受活載、恒載等荷載的作用，同時還有可能遭受到爆炸、撞擊及地震等作用。碼頭結(jié)構(gòu)經(jīng)常會受到靠泊船舶撞擊力的作用，同時還包括船舶擠靠力、系纜力以及系泊船舶撞擊力等。其中，當(dāng)人為操作出現(xiàn)失誤或者靠泊船舶由于慣性較大導(dǎo)致速度控制失調(diào)時，往往會產(chǎn)生大能量的船舶撞擊作用。與板樁碼頭及重力式碼頭相比，高樁碼頭的水平抗側(cè)剛度和水平承載力相對較小，當(dāng)受到撞擊力時通常會出現(xiàn)水平變形的問題，所以船舶撞擊力通常會極大的影響高樁碼頭的性能。近年來，汕頭港、天津港等港口也多次出現(xiàn)由于船舶撞擊導(dǎo)致梁板斷裂或基樁斷裂的問題。

如何使高樁碼頭的穩(wěn)定性和安全性得到穩(wěn)定的提升，已經(jīng)成為了工程界和科研界的一大研究熱點(diǎn)，在這種背景下對動力荷載（如船舶撞擊力等）進(jìn)行研究具有一定的現(xiàn)實(shí)作用。

2.研究方法

圖1 高樁碼頭動力荷載作用數(shù)值模型

ABAQUS作為一款通用的用于計(jì)算有限元的軟件，其有著較為強(qiáng)大的功能，該軟件中的A BAQUS/Explicit求解器模塊能夠通過動態(tài)的方式進(jìn)行顯式分析，通過該模塊不但能夠使準(zhǔn)靜態(tài)問題得到有效的解決，同時還能對各種復(fù)雜度較高的非線性動力學(xué)過程進(jìn)行模擬，特別是一些瞬時的、短暫的動態(tài)過程，例如爆炸、沖擊等。借助于有限元分析法，能夠在短時間內(nèi)進(jìn)行參數(shù)化分析，并且還能了解當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時的內(nèi)力分布情況，從而為受力機(jī)制的研究奠定一定的基礎(chǔ)。

在本文中，選擇的研究對象為高樁碼頭所具有的叉樁結(jié)構(gòu)，在綜合考慮混凝土材料及鋼筋的應(yīng)變率效應(yīng)的情況下，借助于有限元ABAQUS/Explicit求解器模塊對水平?jīng)_擊數(shù)值模型進(jìn)行構(gòu)建，并分別從求解方法、網(wǎng)格劃分、單元類型、邊界與接觸條件、材料模型、幾何模型等方面優(yōu)化模型，從而使數(shù)值模型更加有效。本文選擇的研究對象為高樁碼頭所具有的鋼筋混凝土叉樁結(jié)構(gòu)，研究分析在水平?jīng)_擊背景下叉樁結(jié)構(gòu)所做出的一系列的動力響應(yīng)，由于樁頂是主要的沖擊作用點(diǎn)，如果假定叉樁結(jié)構(gòu)下端錨被固定，則可以暫不考慮樁土效應(yīng)。

對沖擊數(shù)值模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，可得圖1，該圖的(1～3)部分共同組成了待沖擊試件模型。在該模型中：①代表的是軸壓施加裝置，為了使預(yù)應(yīng)力筋得到相關(guān)的收縮應(yīng)力，本文采用了降溫法對其進(jìn)行處理，當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋不斷收縮時將會使鋼墊板逐漸向下產(chǎn)生一定的擠壓力，從而使試件能夠受到指定軸向荷載；②代表的是混凝土部分；③代表的是鋼筋籠。

圖2 沖擊力時程曲線

圖3 位移變化時程曲線

3.結(jié)果分析

3.1 沖擊力結(jié)果分析

當(dāng)受到?jīng)_擊時，鋼筋混凝土構(gòu)件將會做出一系列的沖擊力響應(yīng)，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)，可以將該響應(yīng)過程劃分為峰值上升段、平臺發(fā)展段、卸載段這三個階段。

當(dāng)試件與沖擊力相互接觸時，將會產(chǎn)生一系列的沖擊區(qū)域響應(yīng)，在這種情況下沖擊力將會快速的增長至峰值Fd,max，沖擊體的速度在此時與試件相同，死后沖擊體的速度將會小于試件速度，這兩者之間的接觸也會不斷的減弱，當(dāng)沖擊力作用不斷下降時，即可獲得呈現(xiàn)出脈沖形狀的沖擊力曲線。

受限于試件的耗能能力及抗彎剛度，試件的動能將會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?，其運(yùn)動速度也會不斷的下降。在這種情況下，沖擊體與試件之間的接觸作用也會不斷的加強(qiáng)，之后便會出現(xiàn)沖擊體與試件的速度多次交換的現(xiàn)象，沖擊力曲線的通常會呈現(xiàn)出振蕩狀，其數(shù)值通常在Fd,ave上下浮動，從而形成平臺段，該階段是試件的耗能和吸能階段，耗時相對較長，從整體上來看主要表現(xiàn)是沖擊體和試件共同運(yùn)動。隨著試件變形程度的不斷加大，當(dāng)其達(dá)到變形的最大值以后，沖擊體所具有的動能便會不斷的轉(zhuǎn)變?yōu)樵嚰冃文?，?dāng)試件與沖擊體的速度變?yōu)榱銜r，試件將會釋放出一部分變形能，從而使沖機(jī)體產(chǎn)生回彈作用，試件與沖擊體之間的接觸也會越來越弱，從而導(dǎo)致這兩者相互分離，隨著沖擊力的不斷下降，最終將會降低為零，所以會形成卸載段。

3.2 位移結(jié)果分析

對于試件而言，沖擊位置處所產(chǎn)生的位移時程曲線詳情可參考圖3，當(dāng)處于沖擊試驗(yàn)階段時，曲線將會出現(xiàn)一定的回彈，究其原因：軸壓施加裝置在受到了預(yù)應(yīng)力螺桿所帶來的張拉作用以后，將會引起結(jié)構(gòu)位移在衰減的過程中呈現(xiàn)出阻尼振動的變化趨勢從而逐漸趨向穩(wěn)定，在確定獲得沖擊以后的實(shí)際殘余變形值時，需要計(jì)算振動段的平均值。

3.3 主要結(jié)論

在對比實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果和有限元時，需要分別從試件的動力時長曲線、破壞形態(tài)以及破壞過程等方面進(jìn)行。同時，本文還基于水平?jīng)_擊的背景，將沖擊速度和結(jié)構(gòu)傾角作為主要的參數(shù)，對鋼筋混凝土叉樁所做出的一系列動力響應(yīng)進(jìn)行深入的討論。結(jié)過分析以后，得到的結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

(1)當(dāng)處于能量狀態(tài)時，在所有的內(nèi)容中，塑性應(yīng)變能的占比約為70%～85%，樁體縱向鋼筋和樁體混凝土將會吸收大部分的試件內(nèi)能。當(dāng)試件傾角不斷增加時，由樁體鋼筋和樁帽鋼筋共同吸收的動能將會逐漸變?yōu)榇蟛糠直讳撁变摻钗铡?/p>

(2)對于沖擊力時程曲線而言，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傾角或者初始能量值不斷增加時，沖擊力所對應(yīng)的時程曲線將會變成五階段，并且將會出現(xiàn)一些次波峰段和分離段，其中，次波峰段將會呈現(xiàn)出“脈沖狀”。當(dāng)結(jié)構(gòu)傾角和沖擊速度不斷增大時，將會導(dǎo)致峰值沖擊力也不斷增加，隨著結(jié)構(gòu)傾角的不斷增加，平均沖擊力也會逐漸減小。

(3)通過數(shù)值模擬的方式通常能夠?qū)υ嚰_擊位置所產(chǎn)生的位移的最大值進(jìn)行有效的模擬。當(dāng)結(jié)構(gòu)傾角和沖擊速度不斷增加時，試件在該位置處產(chǎn)生的位移的最大值也將會逐漸增加。

4.結(jié)語

在本文中，通過研究在設(shè)計(jì)高樁碼頭樁基時所產(chǎn)生的各種技術(shù)問題，選擇泊船舶撞擊力這一動力荷載為背景，探究了高樁碼頭受到泊船舶撞擊力時所產(chǎn)生的各種關(guān)鍵技術(shù)問題，其中包括位移時程曲線以及沖擊力時程曲線。對沖擊荷載背景下高樁碼頭結(jié)構(gòu)所做出的一系列的動力響應(yīng)進(jìn)行研究，具有一定的工程價值和現(xiàn)實(shí)意義，同時也能為后續(xù)工程的指導(dǎo)奠定一定的理論基礎(chǔ)。