王翠燕，吳相豪

(上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

板樁碼頭由板樁、拉桿、錨碇結(jié)構(gòu)等組成，依靠板樁入土部分土壓力和錨碇結(jié)構(gòu)來(lái)保持其整體穩(wěn)定性。由于板樁強(qiáng)度的限制，只適用于水深不大的中小型碼頭。為了克服這一缺陷，中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院提出了遮簾式板樁結(jié)構(gòu)，可作為深水泊位的碼頭結(jié)構(gòu)。遮簾式板樁是指在碼頭前排板樁后方打設(shè)一排或多排不連續(xù)樁，以遮擋前排板樁的后方土壓力，減小前排板樁的彎矩，改善其受力狀態(tài)。目前該新型碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法還不成熟，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者正在開(kāi)展相關(guān)的研究工作，如李景林等[1]運(yùn)用離心模型試驗(yàn)技術(shù)對(duì)采用遮簾樁方案的京唐港14＃、15＃泊位板樁碼頭結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和變形特點(diǎn)進(jìn)行研究；劉文平等[2]對(duì)遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，研究碼頭面堆載和剩余水壓力對(duì)前墻和遮簾樁彎矩及其軸力的影響；崔冠辰等[3]利用數(shù)值分析方法，研究遮簾樁與前墻的距離以及遮簾樁的剛度對(duì)碼頭工作性狀的影響，得出墻樁間距增大會(huì)削弱遮簾樁對(duì)前墻的擋土效果；惠煒等[4]基于平行墻理論及最不利荷載情況下的朗肯主動(dòng)土壓力理論，推導(dǎo)出遮簾樁后水平土拱拱前自由區(qū)及拱后穩(wěn)定區(qū)土壓力表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)拱腳水平靜力平衡條件及三角形受壓區(qū)強(qiáng)度條件得出遮簾樁合理樁間距的計(jì)算式；李勝林[5]根據(jù)極限平衡理論提出遮簾樁有效長(zhǎng)度的計(jì)算方法；蔣建平等[6]運(yùn)用ABAQUS 軟件研究不同加速度峰值對(duì)京唐港32＃遮簾式板樁碼頭地震響應(yīng)的影響。

綜合分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)遮簾式板樁碼頭的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有遮簾式板樁碼頭結(jié)構(gòu)性能方面的研究大都基于靜力，抗震方面的研究成果比較少。為此，本文采用數(shù)值分析方法對(duì)京唐港32＃遮簾式板樁碼頭進(jìn)行地震響應(yīng)研究，分析遮簾樁、遮簾樁剛度、遮簾樁與前排板樁間距等對(duì)板樁碼頭結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

1 工程概況

京唐港32＃碼頭為遮簾式地連墻板樁碼頭所在位置的地基土層為粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層以及細(xì)砂層。碼頭前沿泥面高程為-16.0 m，頂面高程為4.2 m，前墻高27.0 m、厚1.0 m，遮簾樁橫截面尺寸為2.0 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬)、間距為2.75 m、高30.0 m，錨碇墻高14.5 m、厚1.2 m，均為鋼筋混凝土構(gòu)件。連接遮簾樁和錨碇墻的長(zhǎng)拉桿直徑為95 mm，連接前墻和遮簾樁的短拉桿直徑為75 mm，拉桿均為Q345鋼棒，拉桿間距約為1.2 m。前墻與遮簾樁之間的距離為3.0 m。碼頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)(尺寸:mm；高程:m)

2 有限元分析模型

2.1 碼頭結(jié)構(gòu)模擬及材料參數(shù)

采用ABAQUS 軟件建立京唐港32＃碼頭結(jié)構(gòu)二維有限元分析模型，如圖2 所示。土體采用Mohr-Coulomb 模型，選取非對(duì)稱求解器進(jìn)行求解；樁的彈性模量是土彈性模量的200 倍以上，相對(duì)來(lái)說(shuō)變形一般不會(huì)很大，采用線彈性模型；拉桿采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。由于遮簾樁間距為2.75 m，前墻和錨碇墻均為連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，故采用剛度等效原則把遮簾樁等效成連續(xù)墻，即前遮簾樁的剛度與連續(xù)墻的剛度等效。根據(jù)京唐港32＃碼頭的地質(zhì)資料，模型中的材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

圖2 有限元模型

ABAQUS 軟件在分析時(shí)有材料和單元的阻尼、整體阻尼和模態(tài)阻尼3 種阻尼引入途徑。本文采用常見(jiàn)的瑞利阻尼，在材料中直接定義。瑞利阻尼是與運(yùn)動(dòng)量成正比的單元阻尼矩陣與由內(nèi)部摩擦而產(chǎn)生的、與應(yīng)變速度成正比的單元阻尼矩陣C的線性組合[7]，表達(dá)式為:

式中:M為單元質(zhì)量矩陣；K為單元?jiǎng)偠染仃?；α、β分別為與質(zhì)量、剛度成正比的系數(shù)，計(jì)算公式為:

式中:ξ為材料阻尼比；ωi、ωj為結(jié)構(gòu)i、j振型的振動(dòng)頻率。

2.2 模型邊界及地震波輸入

板樁碼頭在進(jìn)行靜力分析時(shí)，一般只截取出較大區(qū)域，在邊界上設(shè)置固定邊界就能滿足計(jì)算要求，但在動(dòng)力分析中，地震波會(huì)在人為截?cái)嗵幇l(fā)生反射，造成計(jì)算結(jié)果失效。目前設(shè)置人工邊界的方法主要有黏彈性邊界、無(wú)限元邊界、透射邊界和黏性邊界等，本文選用無(wú)限元邊界處理地震波的反射問(wèn)題[8]。

地震波選用EL-Centro 波(標(biāo)準(zhǔn)化處理后，峰值加速度PGA＝1.0 m∕s2)，動(dòng)力分析時(shí)間步為0.02 s，波形見(jiàn)圖3，采用設(shè)置加速度邊界條件的方法施加在地基底部有限元與無(wú)限元交界面的節(jié)點(diǎn)上[9]。

圖3 地震波時(shí)程曲線

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 遮簾樁對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響

地震作用下無(wú)遮簾樁板樁碼頭和有遮簾樁板樁碼頭拉桿、前墻和錨碇墻的力學(xué)特性如圖4 所示?？梢钥闯觯O(shè)置遮簾樁后，板樁碼頭前墻最大正彎矩由874.80 kN·m 減小至99.14 kN·m，減小了775.66 kN·m；最大負(fù)彎矩由1 858.0 kN·m減小至758.2 kN·m，減小了1 099.8 kN·m。錨碇墻最大負(fù)彎矩由691.9 kN·m 增加至747.6 kN·m，增加了55.7 kN·m。拉桿拉力最大值由1 309.36 kN減小至993.12 kN，減小了316.24 kN。由以上分析可知，遮簾樁對(duì)板樁碼頭前墻和拉桿的受力性能影響比較大，可以顯著降低前墻和拉桿的地震響應(yīng)，對(duì)錨碇墻受力性能的影響比較小。

圖4 各結(jié)構(gòu)力學(xué)特征

3.2 遮簾樁厚度對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響

圖5 為不同厚度的遮簾樁對(duì)板樁碼頭結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。由圖5a)可以看出，在所取遮簾樁厚度范圍內(nèi)，前沿泥面線高程以下部分的前墻彎矩隨著遮簾樁厚度增加逐漸減小，泥面線以上部分的前墻彎矩隨著遮簾樁厚度增加變化不明顯；由圖5b)可看出，隨著遮簾樁厚度的變化，錨碇墻彎矩?zé)o明顯的變化規(guī)律，而且遮簾樁厚度的變化對(duì)錨碇墻彎矩值影響較小，可見(jiàn)遮簾樁厚度對(duì)錨碇墻受力性能的影響不明顯；由圖5c)可看出，遮簾樁厚度對(duì)拉桿拉力有一定的影響，隨著遮簾樁厚度的增加，拉桿拉力逐漸減小；當(dāng)遮簾樁厚度增大到2.8 m 時(shí)，拉桿拉力為895.58 kN，繼續(xù)增加遮簾樁厚度對(duì)拉桿拉力沒(méi)有明顯影響。

圖5 不同厚度下各結(jié)構(gòu)力學(xué)特征

3.3 前墻與遮簾樁間距對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響

地震作用下不同前墻與遮簾樁間距的板樁碼頭拉桿拉力、前墻彎矩及錨碇墻彎矩的分布情況見(jiàn)圖6。可以看出，前沿泥面線高程以上部分的前墻彎矩隨著前墻與遮簾樁間距的增大逐漸增大，前墻與遮簾樁間距對(duì)泥面線以下部分的前墻彎矩影響不明顯。隨著前墻與遮簾樁間距的增大，錨碇墻彎矩?zé)o明顯的變化規(guī)律，而且錨碇墻彎矩值變化不大，可見(jiàn)前墻與遮簾樁間距對(duì)錨碇墻受力性能的影響不明顯。在所取間距范圍內(nèi)，拉桿拉力先是隨間距增大逐漸減小，后是隨間距增大逐漸增大，但拉桿拉力變化極小，前墻與遮簾樁之間間距為4 m 時(shí)拉桿拉力最小。

圖6 不同間距下各結(jié)構(gòu)力學(xué)特征

3.4 遮簾樁長(zhǎng)度對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)受力性能的影響

地震作用下不同長(zhǎng)度遮簾樁的板狀碼頭拉桿拉力、前墻彎矩及錨碇墻彎矩的分布情況見(jiàn)圖7?？梢钥闯?，在所取遮簾樁長(zhǎng)度范圍內(nèi)，隨著遮簾樁長(zhǎng)度增大，拉桿拉力逐漸減小，但拉力值變化較小。前沿泥面線高程以上部分的前墻彎矩絕對(duì)值隨著遮簾樁長(zhǎng)度增大逐漸減小，但彎矩值變化較?。徽诤煒堕L(zhǎng)度對(duì)泥面線以下部分的前墻彎矩影響不明顯。隨著遮簾樁長(zhǎng)度的變化，錨碇墻彎矩?zé)o明顯的變化規(guī)律，而且錨碇墻彎矩值變化不大，遮簾樁長(zhǎng)度對(duì)錨碇墻受力性能的影響不明顯。

圖7 不同長(zhǎng)度下各結(jié)構(gòu)力學(xué)特征

4 結(jié)論

1)遮簾樁對(duì)板樁碼頭前墻和拉桿的受力性能影響比較大，可以顯著減小地震作用下前墻彎矩和拉桿拉力，對(duì)地震作用下錨碇墻的受力性能影響較小。

2)遮簾樁厚度對(duì)地震作用下拉桿拉力、前沿泥面高程以下部分的前墻彎矩影響較大，對(duì)前沿泥面高程以上部分的前墻彎矩和錨碇墻彎矩影響較小。隨著遮簾樁厚度增加拉桿拉力逐漸減小，但當(dāng)遮簾樁厚度達(dá)到2.8 m 時(shí)，繼續(xù)增加遮簾樁厚度，拉桿拉力不再減小。前沿泥面線高程以下部分的前墻彎矩隨著遮簾樁厚度增加逐漸減小。

3)前沿泥面線高程以上部分的前墻彎矩隨著前墻與遮簾樁間距的增大逐漸增大，前墻與遮簾樁間距對(duì)泥面線以下部分的前墻彎矩影響不明顯。前墻與遮簾樁間距對(duì)錨碇墻和拉桿受力性能的影響較小。

4)遮簾樁長(zhǎng)度對(duì)地震作用下拉桿拉力、前沿泥面高程以上部分的前墻彎矩影響較大，對(duì)前沿泥面高程以下部分的前墻彎矩和錨碇墻彎矩影響較小。拉桿拉力、前沿泥面線高程以上部分的前墻彎矩絕對(duì)值隨著遮簾樁長(zhǎng)度的增大逐漸減小。