陶桂蘭,陳 祥,王 定

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京 210098;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)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(shè)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(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)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(jìn)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(jìn)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(yīng)。

2.1 地震反應(yīng)分析方法

采用振型分解反應(yīng)譜法[9-13]進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析。振型分解反應(yīng)譜法是在振型分解法和反應(yīng)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(yīng)用單自由度體系的反應(yīng)譜理論來計算各振型的地震作用,再將各個獨立解進(jìn)行組合疊加,得出總的反應(yīng),是抗震規(guī)范中推薦的方法[4]。

用反應(yīng)譜法求解多自由度系統(tǒng)在地震荷載下的響應(yīng)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(yīng),經(jīng)組合后求得結(jié)構(gòu)總響應(yīng)。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(jì)的發(fā)展與社會的進(jìn)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(dāng)前森林資源面臨的嚴(yán)峻的趨勢，制定合理的資源管理方案，加強(qiáng)對森林資源的全面管理，保護(hù)我國現(xiàn)有的寶貴資源。此外，在進(jìn)行森林資源的開發(fā)利用過程當(dāng)中，要堅持可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，堅持經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益相互協(xié)調(diào)發(fā)展的策略，進(jìn)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計規(guī)范給出的設(shè)計反應(yīng)譜(β譜),可求得對應(yīng)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(xué)原理,把地震作用視為靜力荷載,可求得對應(yīng)于各振型的地震作用效應(yīng)Sj(彎矩、剪力、軸力、位移等)?？紤]到結(jié)構(gòu)振動時,相應(yīng)于各振型的最大地震作用效應(yīng)一般不會同時發(fā)生,我國現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定[4],結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)(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(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng);Sj——j振型水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng),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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計碼頭前沿底高程-17.4m(當(dāng)?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(yīng)[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(biāo)為笛卡爾坐標(biāo),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(yīng)譜的選取

碼頭所在區(qū)域的地震設(shè)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(xiàn)[4]推薦的 β譜曲線進(jìn)行水平地震響應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(yīng)最大值Table3 Maximum response of structural internal force

表4 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)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(yīng)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(shè)防要求的地區(qū),地震荷載方向的隨機(jī)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(yīng)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(yīng)譜法對水平地震作用橫向、縱向輸入進(jìn)行了地震動力響應(yīng)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(jìn)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(shè)計中應(yīng)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(dāng)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(shè)防要求的地區(qū),由于地震荷載方向的隨機(jī)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(yīng)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。

[1]天津新港碼頭7.28震害調(diào)查組.天津新港碼頭7.28地震震害調(diào)查報告[J].港工技術(shù),1977(3)：1-30.(Tianjin xingang port 7.28 earthquakeinvestigation team.Tianjin xingang port 7.28 earthquakedamage survey report[J].Port Engineering Technology,1977(3)：1-30.(in Chinese))

[2]許錫賓.從天津港碼頭設(shè)施的震害談高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].水運(yùn)工程,1993(4)：18-22.(XU Xibin.From the earthquake damage of Tianjin Port terminal facilities about structural design of high-pile wharf[J].Port&Waterway Engineering,1993(4)：18-22.(in Chinese))

[3]謝世楞.奧克蘭港高樁碼頭的震害對比[J].港工技術(shù),1990(4)：13-17.(XIE Shileng.Contrast of Auckland high-pilewharf's earthquake damage[J].Port Engineering Technology,1990(4)：13-17.(in Chinese))

[4]JTJ 225—98 水運(yùn)工程抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,1998.

[5]龍炳煌,雷立志.高樁碼頭叉樁震害分析及設(shè)計建議[J].中國港灣建設(shè),2007(1)：7-10.(LONG Binghuang,LEI Lizhi.Seismic Analysis of and Design Suggestions for Batter-Piles in Pile-Wharfs[J].China Harbour Engineering,2007(1)：7-10.(in Chinese))

[6]張娟,貢金鑫.中美日板樁碼頭抗震設(shè)計方法比較研究[J].水運(yùn)工程,2010(9)：136-154.(ZHANG Juan,GONG Jinxin.Comparative analysis on seismic design approach of sheet pile wharf in China,the U.S.and Japan[J].Port&Waterway Engineering,2010(9)：136-154.(in Chinese))

[7]徐偉國.高樁碼頭樁基布置力學(xué)判斷淺析[J].水運(yùn)工程,1988(11)：32-35.(XU Weiguo.Themechanical judge analysis of pile layout of high-pilewharf[J].Port&Waterway Engineering,1988(11)：32-35.(in Chinese))

[8]鄧重健.高樁碼頭的抗震設(shè)計[J].港口工程,1987(3)：26-31.(DENGChongjian.The seismic design of the pilewharf[J].Harbor Engineering,1987(3)：26-31.(in Chinese))

[9]李培振,呂西林.考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的高層建筑抗震分析[J].地震工程與工程振動,2004,24(3)：130-138.(LI Peizhen,LU Xilin.Considering the interaction between soil-structure of the high-rise building seismic analysis[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2004,24(3)：130-138.(in Chinese))

[10]ROEDEREOT CW.Seismic performance of pile-wharf connection[D].Berkeley：University of California,Berkeley,Pacific Earthquake Engineering Research Center,2001.

[11]MCCULLOUGH N J,DICKENSON S E,SCHLECHTER SM.The seismic performance of piles in waterfront applications[C]//ASCE Conf Proc America's Ports：Gateways to the Global Economy Proceedings of Ports Conference2001.USA ASCE,2001：1-10.

[12]徐龍軍,謝禮力,胡進(jìn)軍.抗震設(shè)計譜的發(fā)展及相關(guān)問題綜述[J].世界地震工程.2007,23(2)：46-57.(XU Longjun,XIE Lili,HU Jinjun.The review of development and certain problems in seismic design spectra[J].World Information on Earthquake Engineering,2007,23(2)：46-57.(in Chinese))

[13]LONG Binghuang,ROEDER C W.Dynamic Performance of Pile Wharf Structural System[R].Washington D.C.：University of Washington,2004.

[14]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社,2007.