周鑫強(qiáng)，郭浩霖，覃 杰，陳良志

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230)

引言

在高樁碼頭抗震設(shè)計(jì)中，尤其在高烈度地震區(qū)，抗震結(jié)構(gòu)一般為跨度不大的連續(xù)整體結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)整體剛度大，利用自身剛度抵抗地震荷載作用，位移小，但會(huì)造成樁基和上部結(jié)構(gòu)的工程量大幅增長，工程造價(jià)明顯增加。印尼是個(gè)地震頻發(fā)的國家，較多的海灣環(huán)境優(yōu)美，生長著一大片紅樹林，而在海灣里建設(shè)高樁碼頭，跨度小形成的較密樁基會(huì)破壞紅樹林生長環(huán)境，影響環(huán)境美觀。為解決上述造價(jià)和環(huán)保問題，本文提出了一種高烈度地震區(qū)的大跨度引橋結(jié)構(gòu)，以印尼某碼頭工程為例，采用大型國際通用有限元軟件并運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言進(jìn)行二次開發(fā)，建立三維有限元模型進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

1 工程概況

印尼某碼頭工程擬建2 個(gè)卸煤泊位和約4km 引橋及引堤。

引橋結(jié)構(gòu)采用大跨度樁基結(jié)構(gòu)方案。大跨度樁基結(jié)構(gòu)是以墩臺(tái)為中心，向左右各延伸3 跨排架組成的一個(gè)結(jié)構(gòu)段。結(jié)構(gòu)段總長約190 m，每跨跨距30.6 m，其中中心墩臺(tái)樁基為4 根Φ1 200 mm 鋼管樁，兩側(cè)排架樁基均為2 根Φ1 200 mm 鋼管樁，上部結(jié)構(gòu)為跨度30.6 m 的預(yù)應(yīng)力T 梁。

引橋標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段預(yù)應(yīng)力T 梁與中心墩臺(tái)、兩側(cè)排架橫梁之間采用固接形式，詳見圖1。引橋接岸排架采用滑移支座，滑移支座為四氟滑板支座，釋放上部結(jié)構(gòu)的水平位移，詳見圖2。

圖1 引橋標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)圖

圖2 引橋接岸段結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，工程場地復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)（中等復(fù)雜場地），地基復(fù)雜程度等級(jí)為一級(jí)（復(fù)雜地基）。主要巖土層有：人工填土(Q4ml)；②淤泥；③中粗砂；④粘土；巖層等18 個(gè)亞層及3個(gè)次亞層。本工程淤泥、淤泥質(zhì)土層承載力較低，壓縮性較大，厚度約15 m；中層中等～堅(jiān)硬粘土～粉質(zhì)粘土層平均層厚約30 m；巖層埋深較深，巖面平均在-56.0 m 高程以下。

工程場地短周期（T=0.2 s）反應(yīng)譜加速度Ss為0.761 g，1S 周期反應(yīng)譜加速度S1 為0.32 g。廠址50 年超越概率10 %的場地地表水平峰值加速度值為0.33 g，為8 度區(qū)。場地土類型為軟弱場地土，場地類別為III 類。場地為抗震不利地段。

2 引橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

考慮上部預(yù)應(yīng)力T 梁溫度應(yīng)力的釋放要求，大跨度引橋結(jié)構(gòu)段長度取約190 m，以雙排樁抗震墩臺(tái)為中心，兩側(cè)對稱布置三榀單排樁排架，與T 梁形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)段。在高烈度地震荷載作用下，整體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一協(xié)調(diào)受力；剛度較大的抗震墩臺(tái)設(shè)置于結(jié)構(gòu)段中心，有效控制結(jié)構(gòu)位移；結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入塑性變形，但未達(dá)到破壞條件，較好適應(yīng)地震作用特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)合理。

引橋標(biāo)準(zhǔn)段T 梁與中心墩臺(tái)、兩側(cè)排架橫梁采用固接形式，提高結(jié)構(gòu)抗震的整體性。引橋接岸排架橫梁上設(shè)滑移支座，釋放上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)和水平位移自由度。滑移支座采用四氟滑板支座，使上部結(jié)構(gòu)的水平位移不受滑移支座本身剪切變形量的限制，有效釋放地震能量，減小結(jié)構(gòu)受力。

3 引橋結(jié)構(gòu)抗震數(shù)值模擬分析

根據(jù)《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，對于重要的梁板式高樁碼頭，在高烈度地震區(qū)，除應(yīng)按單質(zhì)點(diǎn)考慮水平向總地震慣性力計(jì)算外，尚應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析。

振型分解反應(yīng)譜法是用來計(jì)算多自由度體系地震作用的一種方法[2]。該法是利用單自由度體系的加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和振型分解的原理，求解各階振型對應(yīng)的等效地震作用，然后按照一定的組合原則對各階振型的地震作用效應(yīng)進(jìn)行組合，從而得到多自由度體系的地震作用效應(yīng)。采用此方法可有效地模擬結(jié)構(gòu)在地震工況下的受力情況。

3.1 單元選取

引橋墩臺(tái)采用梁單元和殼單元組合簡化模擬，樁基、橫梁和T 梁采用梁單元模擬，地層采用彈簧單元模擬，引橋上部重力荷載采用質(zhì)量單元模擬，質(zhì)量單元與梁單元之間采用剛性梁單元連接以模擬引橋上部重力荷載的作用高度。

3.2 邊界條件

本文運(yùn)用M 法通過彈簧單元模擬樁基與地基土體之間的相互作用[3]；引橋結(jié)構(gòu)段排架采用共節(jié)點(diǎn)的方式模擬T 梁與墩臺(tái)、橫梁固接，接岸排架通過梁端約束釋放命令[4]釋放T 梁端部縱橋向位移自由度和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬滑移支座。

3.3 荷載組合

引橋結(jié)構(gòu)的永久作用包括樁基、墩臺(tái)、橫梁、T 梁、管帶機(jī)、管架自重，可變作用包括管帶機(jī)活載、管架活載、流動(dòng)機(jī)械荷載、人群荷載、風(fēng)荷載、波浪力和溫度荷載等。

地震荷載通過振型分解反應(yīng)譜法施加。振型反應(yīng)譜分析中應(yīng)包含足夠的振型，以確保結(jié)構(gòu)在各主要運(yùn)動(dòng)方向都具有90 %的參與質(zhì)量，采用完全平方根組合法（CQC）進(jìn)行振型組合[5]。經(jīng)試算，振型取10 階可滿足要求。地震反應(yīng)譜采用《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線。根據(jù)《Design of structures for earthquake resistance》[6]，將3 個(gè)方向的地震作用進(jìn)行組合如下：

其中，EX為縱橋向地震作用，EY為橫橋向地震作用，EZ為豎向地震作用。

3.4 后處理

經(jīng)分析，鋼管樁強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算[7]的控制因素為彎矩。鋼管樁典型彎矩分布見圖3。

圖3 鋼管樁典型彎矩分布圖

由圖3 可知，鋼管樁彎矩的較大值出現(xiàn)在樁頂和泥面附近。

運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言在大型國際通用有限元軟件平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)，分別提取樁頂、泥面附近一定范圍的彎矩最大值及對應(yīng)軸力，在所有工況的所有樁中循環(huán)操作取最值并按規(guī)定格式寫入TXT 文本，相比采用窮舉法羅列所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)力值的方式，后處理的效率顯著提高。

3.5 引橋標(biāo)準(zhǔn)段模型數(shù)值分析

引橋標(biāo)準(zhǔn)段的有限元計(jì)算模型詳見圖4。

圖4 引橋結(jié)構(gòu)段有限元計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算分析，地震工況為控制工況?？v橋向地震工況下引橋標(biāo)準(zhǔn)段樁基的彎矩分布詳見圖5。

圖5 引橋標(biāo)準(zhǔn)段縱橋向地震工況樁基彎矩圖

鋼管樁截面抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算參照《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中板樁碼頭鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式，內(nèi)力取為標(biāo)準(zhǔn)值并乘以綜合分項(xiàng)系數(shù)1.35，鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值除以抗震調(diào)整系數(shù)0.65。經(jīng)驗(yàn)算，引橋標(biāo)準(zhǔn)段的結(jié)構(gòu)受力滿足規(guī)范要求。

3.6 引橋接岸段模型數(shù)值分析

為研究接岸排架的支座形式對引橋接岸段結(jié)構(gòu)受力的影響，分別建立固接支座、鉸接支座、滑移支座三個(gè)模型進(jìn)行對比分析。T 梁與墩臺(tái)、橫梁之間采用共節(jié)點(diǎn)的方式模擬固接支座；運(yùn)用梁端約束釋放命令釋放T 梁端部三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬鉸接支座；在鉸接支座的基礎(chǔ)上，運(yùn)用梁端約束釋放命令釋放T 梁端部縱橋向的平動(dòng)自由度，模擬滑移支座。

經(jīng)計(jì)算分析，三個(gè)模型的主要區(qū)別在于縱橋向地震激勵(lì)下樁基的彎矩和位移分布，詳見圖6～11和表1。

表1 引橋接岸段不同模型計(jì)算結(jié)果對比表

圖6 固接支座模型縱橋向地震工況樁基彎矩圖

圖7 鉸接支座模型縱橋向地震工況樁基彎矩圖

圖8 滑移支座模型縱橋向地震工況樁基彎矩圖

圖9 固接支座模型縱橋向地震工況樁基位移圖

圖10 鉸接支座模型縱橋向地震工況樁基位移圖

圖11 滑移支座模型縱橋向地震工況樁基位移圖

由圖表可知，滑移支座模型中各排架樁基的彎矩分布較均勻，固接支座、鉸接支座模型中彎矩主要集中在接岸排架的鋼管樁上，最大彎矩值遠(yuǎn)大于滑移支座模型的最大彎矩值；滑移支座模型中引橋結(jié)構(gòu)的整體水平位移顯著大于固接支座、鉸接支座模型。

經(jīng)驗(yàn)算，固接支座、鉸接支座模型鋼管樁的應(yīng)力遠(yuǎn)超容許應(yīng)力，滑移支座模型鋼管樁的應(yīng)力能滿足規(guī)范要求。經(jīng)分析，由于接岸排架鋼管樁四周被岸坡的塊石包裹，結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于其他排架，此時(shí)若采用固接支座或鉸接支座，在縱橋向地震的激勵(lì)下，引橋結(jié)構(gòu)段樁基的彎矩絕大部分分配到接岸排架的鋼管樁上。而采用滑移支座，則能通過重新調(diào)整各排架的剛度、釋放引橋結(jié)構(gòu)段的水平位移以減小接岸排架鋼管樁的彎矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)段內(nèi)樁基彎矩的均勻分配，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)合理的目的。

根據(jù)鋼管樁的彎矩分布圖，鋼管樁的彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂，泥面附近的彎矩較大，泥面下一定范圍以下彎矩很小。因此應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)樁頂處的樁芯混凝土配筋，并根據(jù)規(guī)范設(shè)置相應(yīng)的抗震鋼筋[8]，確保樁頂節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)震作用下不被破壞；鋼管樁可采取變壁厚的形式，上部壁厚大，下部壁厚小，壁厚變化點(diǎn)可根據(jù)彎矩分布圖并通過計(jì)算確定，以達(dá)到節(jié)省結(jié)構(gòu)造價(jià)的目的。

4 結(jié)語

1）本文提出了一種高烈度地震區(qū)的大跨度引橋結(jié)構(gòu)，能較好適應(yīng)地震作用特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)合理，環(huán)境友好，避免了密集樁基對環(huán)境產(chǎn)生的較大影響。

2）大跨度引橋結(jié)構(gòu)段中心設(shè)剛度較大的雙排樁抗震墩臺(tái)，提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力；兩側(cè)排架橫梁和T 梁采用固接形式，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)抗震的整體性。

3）引橋接岸處采用滑移支座代替固接支座或鉸接支座，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)段內(nèi)各排架剛度的均勻分配，充分發(fā)揮了每個(gè)排架的抗震能力，降低了工程造價(jià)，對類似工程項(xiàng)目具有參考意義。

4）本文運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言在大型國際通用有限元軟件平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)，根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特點(diǎn)編程提取數(shù)據(jù)并處理，顯著提高了有限元模型的后處理效率。