陳宇 石運(yùn)東 孫熙平

摘要：全直樁碼頭作為離岸深水海域廣泛應(yīng)用的一種高樁碼頭結(jié)構(gòu)形式，其抗震性能和地震損傷破壞機(jī)理尚未被掌握。采用集中參數(shù)模型和附加質(zhì)量法分別考慮樁一土相互作用和地震動(dòng)水壓力作用，應(yīng)用纖維單元模型進(jìn)行全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的地震損傷分析，并定義了基樁構(gòu)件損傷準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)整體損傷準(zhǔn)則。對(duì)一榀全直樁碼頭進(jìn)行了強(qiáng)震作用下的損傷分析，結(jié)果表明全直樁碼頭結(jié)構(gòu)在不同土層問(wèn)和土與水問(wèn)的交界處以及基樁頂部位置的基樁損傷較大，達(dá)到嚴(yán)重?fù)p傷程度;隨著土層剪切波速的減小，結(jié)構(gòu)的地震損傷指數(shù)明顯增大，并且改變土層剪切波速會(huì)明顯影響基樁的損傷分布模式;當(dāng)剪切波速為100m/s時(shí)，水深變化對(duì)碼頭地震損傷影響基本可以忽略;當(dāng)剪切波速為400m/s時(shí)，隨著水深增加，結(jié)構(gòu)地震損傷指數(shù)明顯增大。

關(guān)鍵詞：全直樁碼頭;地震;損傷分析;纖維單元

中圖分類(lèi)號(hào)：TU473;TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-4523（2020）01-0111-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.01.013

引言

隨著近海岸建港資源開(kāi)發(fā)飽和，近幾年來(lái)港口工程建設(shè)向離岸深水域發(fā)展。全直樁碼頭依靠波流作用力小、適用于軟土地基、外海施工方便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于離岸深水域的碼頭建設(shè)。然而，全直樁碼頭的建設(shè)地區(qū)不可避免的會(huì)位于強(qiáng)地震烈度區(qū)，以往的震害資料表明地震作用會(huì)引起高樁碼頭結(jié)構(gòu)的基樁發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。同時(shí)，外海復(fù)雜的地質(zhì)水文條件會(huì)增加碼頭結(jié)構(gòu)的地震風(fēng)險(xiǎn)性，因此有必要研究全直樁碼頭的損傷破壞機(jī)理和失效模式，為改進(jìn)和完善全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)離岸深水域的全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的地震損傷分析，首先需在考慮樁一土相互作用和地震動(dòng)水壓力作用的同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析。在樁一土相互作用方面，發(fā)展了直接法、子結(jié)構(gòu)法和集總參數(shù)法，其中集總參數(shù)法因概念清晰、計(jì)算高效被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的地震時(shí)程分析。在地震動(dòng)水壓力作用方面，發(fā)展了輻射波浪理論和Morison方程，其中小直徑樁的地震動(dòng)水壓力作用可通過(guò)附加質(zhì)量法加以考慮。在結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析方面，根據(jù)數(shù)值模擬方法不同，可分為實(shí)體單元模型、塑性鉸單元模型和纖維單元模型等，其中纖維單元模型能以較低的計(jì)算成本獲得很高的求解精度。其次需建立材料和構(gòu)件損傷準(zhǔn)則，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件由均一材料組成，通過(guò)材料損傷的情況可直接定義構(gòu)件損傷模型。最后需建立結(jié)構(gòu)整體損傷準(zhǔn)則，目前結(jié)構(gòu)整體損傷準(zhǔn)則的定義通過(guò)構(gòu)件損傷的加權(quán)組合來(lái)反映結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，并且需確定結(jié)構(gòu)的損傷失效部位，從而掌握結(jié)構(gòu)的失效模式。

綜上，本文結(jié)合樁一土相互作用模型和動(dòng)水壓力作用模型，建立了離岸深水全直樁碼頭的地震損傷分析方法，并對(duì)一榀全直樁碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)震作用下的彈塑性時(shí)程分析。從材料、基樁構(gòu)件、整體結(jié)構(gòu)方面對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震損傷分析，并確定了地震作用后結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài);此外，以土體剪切波速和水深為變量進(jìn)行了結(jié)構(gòu)地震損傷分析，研究了土體剪切波速和水深對(duì)全直樁碼頭結(jié)構(gòu)地震損傷和失效模式的影響規(guī)律。

文獻(xiàn)[12]給出了鋼材低周反復(fù)試驗(yàn)的損傷演化過(guò)程，并對(duì)鋼材損傷指數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，如圖1所示。根據(jù)線(xiàn)性回歸分析得到的擬合曲線(xiàn)與損傷演化曲線(xiàn)的交點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)劃分鋼材的損傷等級(jí)，同時(shí)參考文獻(xiàn)[13]中的等級(jí)劃分方法，將鋼材的損傷等級(jí)劃分為輕微損傷、中等損傷、嚴(yán)重?fù)p傷和完全破壞，具體定義如表1所示。

1.2基樁構(gòu)件損傷準(zhǔn)則

采用纖維單元模型的基樁構(gòu)件，可將每個(gè)構(gòu)件離散為若干個(gè)構(gòu)件單元，每個(gè)構(gòu)件單元截面離散為若干個(gè)纖維。借鑒文獻(xiàn)[9]中的方法，以構(gòu)件單元中各個(gè)纖維的損傷指數(shù)加權(quán)平均定義構(gòu)件單元的損傷指數(shù)，同時(shí)定義基樁構(gòu)件損傷指數(shù)為每個(gè)構(gòu)件單元損傷指數(shù)的最大值。由此定義基樁構(gòu)件損傷準(zhǔn)則表達(dá)式為

1.3全直樁碼頭結(jié)構(gòu)整體損傷準(zhǔn)則

基樁為全直樁碼頭的豎向受力構(gòu)件，借鑒文獻(xiàn)[14]框架結(jié)構(gòu)的地震層損傷準(zhǔn)則的思想，以基樁損傷指數(shù)平均值作為全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的地震整體損傷準(zhǔn)則，其定義為

2有限元模型的建立

2.1樁一土相互作用模型

文獻(xiàn)[15]表明改進(jìn)的Penzien集中質(zhì)量模型計(jì)算效率高，參數(shù)選取簡(jiǎn)單，并且可以較好地考慮樁一土相互作用后結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性變化，其模型通過(guò)水平彈簧和阻尼器來(lái)模擬樁與土之問(wèn)的相互作用，并在樁周土之問(wèn)增加土的剪切彈簧和阻尼器，計(jì)算時(shí)地震動(dòng)從基巖位置輸入，其計(jì)算模型如圖2所示。各土層樁-土相互作用的水平彈簧剛度Khi計(jì)算公式如下：

2.2地震動(dòng)水壓力作用

地震作用下全直樁碼頭基樁屬于小直徑柱體，而小直徑柱體的地震動(dòng)水壓力作用效應(yīng)可以采用Morsion方程進(jìn)行求解。Morison方程假定小直徑柱體受到的地震動(dòng)水壓力由慣性力和阻尼力線(xiàn)性疊加組成，同時(shí)忽略結(jié)構(gòu)對(duì)水體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，認(rèn)為水對(duì)結(jié)構(gòu)的作用由未受擾動(dòng)的加速度場(chǎng)和速度場(chǎng)分別引起的沿水體運(yùn)動(dòng)方向作用于結(jié)構(gòu)上的慣性力和阻尼力組成。水對(duì)單位長(zhǎng)度柱體動(dòng)水壓力作用的計(jì)算公式為

2.3結(jié)構(gòu)模型及模型參數(shù)

所分析結(jié)構(gòu)為某港一榀離岸深水全直樁梁板式碼頭，碼頭排架首尾樁中心距為36m，4根基樁均采用壁厚為20mm，Ф1800mm的Q345鋼管樁，樁基自由高度為32.5m，人土深度為44.5m，碼頭面板由鋼筋混凝土板制成，板厚為500mm，碼頭結(jié)構(gòu)排架尺寸如圖3所示。碼頭面設(shè)計(jì)均布面荷載為30kPa。碼頭所處水域設(shè)計(jì)高水位為3.82m，所處地質(zhì)參數(shù)如表2所示。

采用LS-DYNA有限元程序中的纖維單元模型模擬碼頭結(jié)構(gòu)排架的基樁構(gòu)件，基樁沿軸向離散成154個(gè)梁?jiǎn)卧?，每個(gè)梁?jiǎn)卧L(zhǎng)度為0.5m，梁?jiǎn)卧獧M截面離散成36個(gè)鋼纖維，每個(gè)鋼纖維的材料模型采用1.1節(jié)所述的鋼材損傷本構(gòu)模型。碼頭結(jié)構(gòu)橫梁采用梁?jiǎn)卧M，其材料采用彈性模型模擬，面板按等效質(zhì)量分布在橫梁上，面板設(shè)計(jì)荷載按線(xiàn)荷載作用在橫梁上。采用2.1節(jié)的樁一土相互作用模型模擬1-4層土與樁相互作用，由于第五層土為非常密實(shí)粉砂，可作為持力層，因此在第五層土頂部樁基位置設(shè)置固定端，其考慮樁一土相互作用的碼頭結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。樁一土相互作用模型參數(shù)可通過(guò)式（4）-（7）和表2計(jì)算得到。根據(jù)式（11）可計(jì)算得到每根基樁每米動(dòng)水壓力附加質(zhì)量為2606kg。

3全直樁碼頭的地震損傷分析

強(qiáng)震作用下碼頭結(jié)構(gòu)往往發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞，為了分析強(qiáng)震作用下全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的地震損傷情況，本文按文獻(xiàn)[19]方法合成3條人工基巖地震動(dòng)，如圖5所示，峰值加速度為0.6g，該地震等級(jí)在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）屬于強(qiáng)震范圍。

將上述3條人工地震動(dòng)從全直樁碼頭的基樁底部和基礎(chǔ)土體底部沿排架方向單向輸入。圖6給出了地震動(dòng)1作用下全直樁碼頭的損傷云圖。從圖中可以看出，4根基樁的損傷分布模式基本相同，在基樁頂部、第一層土上部的基樁發(fā)生明顯損傷，在第一層土體中點(diǎn)位置附近以下的基樁均發(fā)生明顯屈服，土層交接處的基樁損傷指數(shù)較大，第一層與第二層土交界處的基樁損傷最大。地震動(dòng)2和3作用下其損傷分布模式與圖6基本一致，由于篇幅有限在此不再列出。

由于碼頭排架為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，1#和4#基樁、2#和3#基樁對(duì)應(yīng)位置基樁單元損傷基本一致。以1#和2#基樁為例，分析基樁的損傷演化過(guò)程。提取3條地震動(dòng)作用下1#和2#樁頂部和土層交接位置的基樁單元損傷指數(shù)，如圖7所示（圖中基樁單元號(hào)位置如圖6所示）。從圖7（a）中可以看出，地震動(dòng)1作用下1#基樁238和2#基樁271號(hào)單元在7s左右首先出現(xiàn)損傷，隨著地震動(dòng)的持續(xù)，所示單元逐漸出現(xiàn)損傷，當(dāng)加速度在8s左右出現(xiàn)峰值時(shí)，所示單元損傷指數(shù)突增，隨著后續(xù)地震動(dòng)的持續(xù)，所示單元損傷持續(xù)增大。1#基樁1425，19，238，2311，1751，1953號(hào)單元最終的損傷指數(shù)分別為0.0108，0.0096，0.0289，0.0211，0.0121，0.0091;2#基樁1449，46，271，2275，1778，1968號(hào)單元最終的損傷指數(shù)分別為0.0166，0.0116，0.0291，0.0212，0.0121，0.0095。在土層上部，2#基樁較1#基樁相同位置的損傷指數(shù)大，其原因是2#基樁上部所分?jǐn)偟木己奢d大，導(dǎo)致其受慣性力較大;在土層下部，兩個(gè)基樁損傷指數(shù)基本相同，因此上部荷載情況對(duì)土層下部基樁的損傷情況影響較小。同時(shí)從圖7（b）和（c）可以看出，地震動(dòng)2和3作用下其損傷演變過(guò)程與地震動(dòng)1作用下相似，其最終損傷程度有所差別。

提取每根基樁所有單元的損傷指數(shù)，按式（3）計(jì)算全直樁碼頭結(jié)構(gòu)整體的損傷演化過(guò)程，如圖8所示。從圖8中可以看出，地震動(dòng)1作用下在7-8.5s之問(wèn)結(jié)構(gòu)損傷迅速發(fā)展，這與地震動(dòng)在此時(shí)問(wèn)內(nèi)加速度峰值較大相對(duì)應(yīng)，此后在8.5-14.5s之問(wèn)，結(jié)構(gòu)損傷逐漸累積，地震動(dòng)輸入結(jié)束時(shí)，結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)為0.0290，其結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)對(duì)照表1屬于嚴(yán)重?fù)p傷。地震動(dòng)2和3作用下結(jié)構(gòu)最終損傷指數(shù)分別為0.0356，0.0342，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)對(duì)照表1均屬于嚴(yán)重?fù)p傷。

4參數(shù)分析

為了掌握全直樁碼頭所處環(huán)境中土層性質(zhì)（剪切波速）和水深對(duì)結(jié)構(gòu)的地震致災(zāi)效應(yīng)的影響，通過(guò)改變土層剪切波速和水深對(duì)2.3節(jié)中所述全直樁碼頭模型進(jìn)行損傷分析。

4.1土層剪切波速的影響

為了研究土層剪切波速對(duì)結(jié)構(gòu)地震損傷的影響，考慮了4種工況，剪切波速為100，200，300和400m/s。2.3節(jié)中的土層參數(shù)按等效剪切波速法計(jì)算所得的土層等效剪切波速為100m/s。剪切波速為200，300和400m/s工況，沿用2.3節(jié)土層分布，每層土的剪切模量均乘以2，3和4得到。輸入地震動(dòng)采用第3節(jié)中的3條人工合成地震動(dòng)。

圖9給出了地震動(dòng)1作用下不同土層剪切波速條件下碼頭基樁的損傷云圖。從圖9中可以看出，土層剪切波速為200和300m/s時(shí)，基樁損傷發(fā)生在第一、二層土交界處、第一層土頂部和基樁頂部;土層剪切波速為400m/s時(shí)，基樁損傷發(fā)生在基樁頂部，其他部位未發(fā)生明顯的損傷情況。同時(shí)可以看出，土層剪切波速?gòu)?00m/s增加到400m/s，基樁損傷出現(xiàn)減小趨勢(shì)，其原因是全直樁碼頭為柔性結(jié)構(gòu)，軟土地基會(huì)加大柔性結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，增加結(jié)構(gòu)的地震風(fēng)險(xiǎn)性。地震動(dòng)2和3作用下其損傷分布模式與圖9相似，由于篇幅有限在此不再列出。

提取每根基樁所有單元的損傷指數(shù)，按式（3）計(jì)算不同剪切波速條件下全直樁碼頭結(jié)構(gòu)整體的損傷演化過(guò)程，如圖10所示。從圖中10（a）可以看出，地震動(dòng)1作用下土層剪切波速為100，200，300和400m/s時(shí)碼頭結(jié)構(gòu)的最終損傷指數(shù)分別為0.0290，0.0185，0.0130和0.0054，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)分別為嚴(yán)重?fù)p傷、中等損傷、中等損傷和輕微損傷;地震動(dòng)2作用下土層剪切波速為100，200，300和400m/s時(shí)碼頭結(jié)構(gòu)的最終損傷指數(shù)分別為0.0356，0.0150，0.0116和0.0074，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)分別為嚴(yán)重?fù)p傷、中等損傷、中等損傷和輕微損傷;地震動(dòng)3作用下土層剪切波速為100，200，300和400m/s時(shí)碼頭結(jié)構(gòu)的最終損傷指數(shù)分別為0.0342，0.0177，0.0165和0.0082，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)分別為嚴(yán)重?fù)p傷、中等損傷、中等損傷和中等損傷，因此在軟土地基上建設(shè)的全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的地震風(fēng)險(xiǎn)性高。

4.2水深的影響

為了研究水深對(duì)結(jié)構(gòu)地震損傷的影響，考慮了4種工況，水深為0（無(wú)水），10，20和30m。地基土等效剪切波速分別選取4.1節(jié)的100和400m/s。

圖11給出了地基土等效剪切波速為100m/s時(shí)不同水深工況下碼頭結(jié)構(gòu)整體損傷演化過(guò)程。從圖11中可以看出3條地震動(dòng)作用下水深為0（無(wú)水），10，20和30m工況，結(jié)構(gòu)損傷過(guò)程基本一致，4種工況結(jié)構(gòu)損傷程度基本一致。圖12給出了地基土等效剪切波速為400m/s時(shí)不同水深工況下碼頭結(jié)構(gòu)整體損傷演化過(guò)程。從圖12中可以看出，地震動(dòng)1作用下水深為0（無(wú)水），10，20和30m工況，結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)分別為0.0022，0.0046，0.0086，0.0107，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)分別為輕微損傷、輕微損傷、中等損傷和中等損傷;地震動(dòng)2作用下水深為0（無(wú)水）、10，20和30m工況，結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)分別為0.0074，0.0084，0.0091，0.0103，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)分別為輕微損傷、中等損傷、中等損傷和中等損傷;地震動(dòng)3作用下水深為0（無(wú)水），10，20和30m工況，結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)分別為0.0038，0.0040，0.0088，0.0095，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)分別為輕微損傷、輕微損傷、中等損傷和中等損傷。隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)逐漸增加，因此增加水深可加重結(jié)構(gòu)的地震損傷程度。綜上所述，當(dāng)?shù)鼗馏w較軟時(shí)，水深對(duì)結(jié)構(gòu)地震損傷程度的影響基本可以忽略，但當(dāng)?shù)鼗馏w較硬時(shí)，隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)地震損傷指數(shù)顯著增大，其原因是當(dāng)水深增大時(shí)，水體對(duì)基樁的動(dòng)水壓力作用增大，但此壓力可通過(guò)基樁傳遞給地基土體，然而較硬的地基土耗能較少，導(dǎo)致基樁吸收較多的振動(dòng)能量，因此動(dòng)水壓力的增大會(huì)加重處于較硬地基土中的基樁損傷程度。

5結(jié)論

采用纖維單元模型對(duì)某港一榀離岸深水全直樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震損傷分析，結(jié)果表明強(qiáng)震作用下離岸深水全直樁碼頭結(jié)構(gòu)基樁發(fā)生明顯損傷，尤其土層問(wèn)和土與水問(wèn)的交界處以及基樁頂部的基樁損傷較大，根據(jù)定義的結(jié)構(gòu)性能等級(jí)，在0.6g地震動(dòng)作用下全直樁碼頭達(dá)到嚴(yán)重?fù)p傷程度。通過(guò)研究不同水深和土層剪切波速對(duì)全直樁碼頭結(jié)構(gòu)地震損傷的影響，分析表明考慮樁一土相互作用，隨著土層剪切波速的減小，碼頭的地震損傷指數(shù)明顯增大，并且改變土層剪切波速會(huì)明顯影響基樁的損傷分布模式;考慮動(dòng)水壓力效應(yīng)時(shí)，軟土地基上（等效剪切波速為100m/s）的碼頭結(jié)構(gòu)，水深變化對(duì)碼頭地震損傷影響基本可以忽略，但較硬地基上（等效剪切波速為400m/s）的碼頭結(jié)構(gòu)，隨著水深增加，結(jié)構(gòu)地震損傷指數(shù)明顯增大。因此實(shí)際情況中應(yīng)根據(jù)工程需要，合理考慮樁一土相互作用和地震動(dòng)水壓力效應(yīng)。