陸素娟

（廣西八桂工程監(jiān)理咨詢有限公司，廣西 南寧 530031）

0 引言

隨著船舶大型化的推進(jìn)以及水運業(yè)的發(fā)展，離岸深水大直徑管樁碼頭憑借其工程造價低、泊穩(wěn)條件好、海上施工方便等優(yōu)點成為我國未來港口建設(shè)的趨勢［1］。離岸深水大直徑管樁碼頭多處于開敞海域的軟土地基上，主要承受風(fēng)、浪、流等動力荷載，受力性狀較為復(fù)雜。

離岸深水大直徑管樁碼頭一般為全直樁碼頭，大直徑管樁一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁或鋼管樁，波流荷載是其重要的動力作用。張衛(wèi)平采用不同樁基阻抗分析了離岸深水碼頭在規(guī)則和不規(guī)則波作用下的動力響應(yīng)，指出樁土耦合作用對于樁柱響應(yīng)有很大影響［2］；左殿軍等采用ABAQUS有限元軟件對全直樁基礎(chǔ)在波浪和車輛雙向循環(huán)荷載作用下的受力特性進(jìn)行了分析，指出在豎向和水平雙向循環(huán)荷載作用會導(dǎo)致樁基內(nèi)力的重分布［3］；王朝陽在對波浪力和船舶撞擊力作用下全直樁碼頭的動力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了動力簡化計算方法，認(rèn)為全直樁碼頭的動力響應(yīng)類似于單自由度系統(tǒng)［4］。

以上文獻(xiàn)對于波浪荷載的計算多采用微幅波理論，未考慮微幅波理論在實際外海環(huán)境中的適用性，此外海上波浪傳播過程中往往伴隨著海流，波浪水流的共同作用不容忽視。因此有必要對波流作用下開敞海域的大直徑管樁碼頭動力特性進(jìn)行深入研究。

本文結(jié)合某離岸深水大直徑管樁碼頭，通過ANSYS平臺建立碼頭排架有限元模型，采用基于p－y曲線的非線性Winkler地基梁法模擬樁土相互作用，研究波流聯(lián)合作用下大直徑管樁碼頭的動力特性。

1 模型介紹

1.1 工程原型

本文所研究的工程原型來源于某離岸深水碼頭，該碼頭采用全直樁梁板式結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，下部基樁采用大直徑鋼管樁。碼頭排架間距為15m，每榀排架下設(shè)四根壁厚22mm、直徑1 800mm的Q345鋼管樁，基樁中心間距11.5m，混凝土強度為C40，鋼管樁和混凝土材料參數(shù)見表1。鋼管樁入土深度為45m，泥面以上長度為35m，工程所在地地質(zhì)條件見表2。設(shè)計波浪重現(xiàn)期為50年一遇，波浪要素見表3，相應(yīng)重現(xiàn)期下的水流流速值見表4。

表1 鋼管樁及混凝土主要材料參數(shù)表

表2 地質(zhì)條件參數(shù)表

表3 設(shè)計波浪要素表

表4 海流流速表

1.2 波流荷載的計算

對于靜止于水的中小直徑圓柱體所受波浪荷載計算一般采用Morison方程［5］，任意高度Z處單位柱高所受水平波浪力為：

式中：P——作用在柱體全斷面上的水平波浪力；

PD——水平拖曳力（kN／m）；

Pl——水平慣性力（m）；

D ——柱體直徑（m）；

CD——拖曳力系數(shù)，取1.2；

CM——慣性力系數(shù)，取2.0；

A——柱體斷面面積（m2）；

ρ——水的密度（kg／m3）；

u——水質(zhì)點軌道運動的水平速度（m／s）；

t——時間（s）。

其中水質(zhì)點速度和加速度的計算依賴所選取的波浪理論，我國《港口與航道水文規(guī)范》［6］推薦采用微幅波理論。實際上外海波浪波面振幅大，波動的自由水面非線性影響不可忽略，微幅波理論并不完全適用，而斯托克斯五階波可以考慮自由液面的非線性特點，對于深水區(qū)波浪較為適用，因此本文采用斯托克斯五階波理論［7］［8］。

波浪傳播過程中往往伴隨著水流，海流速度相對于波浪水質(zhì)點來說隨時間變化較為緩慢，可認(rèn)為是定常水流，對于柱體的作用僅為拖曳力［9］，對于直立柱體，單位柱高上的拖曳力矢量為：

式中：PD′——波流聯(lián)合作用下的拖曳力；

本案例中考慮當(dāng)海流與波浪傳播方向同向，沿X正向傳播。

1.3 波流作用下碼頭排架有限元模型

選取一榀排架作為研究對象，通過ANSYS有限元軟件建立排架有限元模型如圖1所示。碼頭上部結(jié)構(gòu)采用SOILD45單元；泥面以上鋼管樁采用可模擬水動力效應(yīng)的PIPE59單元；泥面以下鋼管樁采用PIPE20單元。采用COMBIE39非線性彈簧單元模擬樁周土體對樁的約束作用，COMBINE39的荷載位移關(guān)系曲線通過獲取土層的p－y曲線來定義，樁土相互作用簡化為非線性Winkler地基梁彈簧模型，如圖2所示。其中p－y曲線的選取采用API規(guī)范推薦曲線［10］。定義X正方向與岸線方向垂直，假設(shè)波流入射方向同向，均沿X正方向傳播，碼頭樁基從左到右依次編號為1＃～4＃。

2 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

2.1 自振頻率

對于本文研究的碼頭排架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)阻尼比設(shè)為0.03［11］，通過結(jié)構(gòu)自由振動分析可以得到前六階自振頻率及相應(yīng)的周期如表5所示?？梢钥吹揭浑A振型對應(yīng)的自振周期接近于2s，與設(shè)計波浪荷載周期相差較大，產(chǎn)生共振的可能性較小，然而對于船舶撞擊荷載等短周期荷載則需要引起注意。

圖1 碼頭排架有限元模型示意圖

圖2 非線性Winkler地基梁模型示意圖

表5 自振頻率分析結(jié)果表

2.2 樁土相互作用的影響

《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167－4－2012）中規(guī)定可以采用假想嵌固點法計算水平受荷樁［12］，該法簡化處理了樁土相互作用。為了研究樁土相互作用對碼頭在波流荷載作用下的響應(yīng)的影響，本文分別考慮嵌固點模型和Winkler非線性地基梁模型（樁土相互作用模型）兩種情況下排架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，通過ANSYS瞬態(tài)響應(yīng)模塊計算結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。

計算得到1＃樁泥面位移時程曲線如圖3所示。由圖3可知，兩種模型下泥面位移時程變化趨勢大致相同，位移峰值點出現(xiàn)在大約1s左右，此時瞬態(tài)振動明顯，約12s后，瞬態(tài)振動衰減為零，結(jié)構(gòu)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)反應(yīng)。一般對于作用時間極短的爆炸或者沖擊荷載瞬態(tài)反應(yīng)不能忽略［13］，而對處于外海長期波浪和水流條件下的深水大直徑管樁碼頭，則應(yīng)當(dāng)主要考慮其在外荷載作用下的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)。

結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)態(tài)振動時，嵌固點模型泥面峰值位移為0.016m，樁土相互作用模型泥面峰值位移為0.043m，增加了152%，由此可見，采用嵌固點模型進(jìn)行分析將會低估波流荷載對結(jié)構(gòu)的作用效果，所以本文在后續(xù)的分析中均采用樁土相互作用模型。

圖3 不同計算模型下1＃樁泥面節(jié)點位移時程曲線對比圖

2.3 不同波浪周期的影響

本文設(shè)計波浪周期為11.8s，考慮到實際復(fù)雜的海洋環(huán)境，將會出現(xiàn)各種不同周期的波浪組合，隨著波浪周期的變化，樁與波浪之間的作用不同，計算波浪荷載時采取不同的波浪理論結(jié)果可能會產(chǎn)生較大的差別。本文選取波浪周期從8s（當(dāng)周期＜8s時，波浪形態(tài)接近破碎，不符合實際）到18s，每隔2s共取6種周期工況，分別采用微幅波理論和斯托克斯五階波理論計算1＃樁泥面穩(wěn)態(tài)反應(yīng)時峰值位移，結(jié)果如圖4所示。

當(dāng)其他設(shè)計參數(shù)一定時，波浪周期增長，波流荷載與樁基泥面位移增大，采用微幅波理論計算時位移增幅較小，而采用斯托克斯五階波理論計算時位移增幅較大。從整體來看，微幅波理論較斯托克斯五階波理論計算結(jié)果偏小，且周期越長兩者差別越大。根據(jù)本文研究的不同波浪參數(shù)結(jié)合蘭艷蓉［7］對波浪理論適用條件的分析，采用斯托克斯五階波計算波流荷載更為合理，因此按照港口與航道水文規(guī)范（JTS145－2015）［6］建議采用微幅波理論計算時將會低估波流荷載對結(jié)構(gòu)的作用，尤其對長周期波應(yīng)當(dāng)慎重考慮。

圖4 不同波浪周期下對應(yīng)的峰值位移對比圖

3 結(jié)語

（1）本案例中全直樁碼頭排架結(jié)構(gòu)自振周期接近2s，在船舶撞擊荷載等短周期荷載中可能產(chǎn)生共振；

（2）嵌固點模型的計算結(jié)果將會低估荷載對結(jié)構(gòu)的作用，建議工程中盡量采用樁土相互作用模型計算；

（3）在本文設(shè)計參數(shù)下，隨著波浪周期增長，波流荷載增大，長周期波對結(jié)構(gòu)的破壞作用更強。外海波浪振幅較大，采用微幅波理論計算波流荷載可能會低估其對結(jié)構(gòu)的作用，建議基于斯托克斯五階波計算外海波流荷載。