高樁碼頭叉樁布置形式抗震性能分析

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(jì)院,湖南長(zhǎng)沙 410008)

1 叉樁的布置形式

高樁碼頭叉樁布置時(shí),為避免與前后直樁碰樁,叉樁通常會(huì)偏轉(zhuǎn)1個(gè)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(duì)稱布置

叉樁非對(duì)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(gè)方向都不對(duì)稱,如圖1(a)。該布置形式的主要優(yōu)點(diǎn)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(huì)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(shí),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(duì)稱布置

單軸對(duì)稱又可分為橫軸對(duì)稱和縱軸對(duì)稱。橫軸對(duì)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(duì)稱的,縱軸對(duì)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(duì)稱的,如圖1(b),(c)所示。橫軸對(duì)稱樁基的主要優(yōu)點(diǎn)是承受橫向水平荷載時(shí),高樁碼頭結(jié)構(gòu)段不會(huì)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(huì)碰樁。缺點(diǎn)是在縱向水平荷載作用下結(jié)構(gòu)段會(huì)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(duì)稱樁基的主要優(yōu)點(diǎn)是承受縱向水平荷載時(shí),高樁碼頭結(jié)構(gòu)段不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn),受力均勻,施工較橫軸對(duì)稱樁基布置方便;其缺點(diǎn)是在樁較長(zhǎng)時(shí)容易碰樁,在橫向水平荷載作用下結(jié)構(gòu)段會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

1.3 雙軸對(duì)稱布置

雙軸對(duì)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(duì)稱布置。樁基左端后叉樁和右端前叉樁的扭角為橫向順時(shí)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(shí)針偏轉(zhuǎn)。這種布置形式的主要優(yōu)點(diǎn)是承受縱、橫向水平荷載時(shí),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(diǎn)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(duì)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(duì)其抗震性能的影響,對(duì)以上4種叉樁布置形式進(jìn)行了動(dòng)力有限元分析,分別模擬其在縱、橫2個(gè)方向水平地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(jì)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(gè)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(jì)算各振型的地震作用,再將各個(gè)獨(dú)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(shí),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(dòng)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(diǎn)所受慣性力來代表,質(zhì)點(diǎn)j上的水平地震作用為

綜上所述，森林資源作為我國(guó)重要的資源之一，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步發(fā)揮著重要的作用。因此，我國(guó)要給予森林資源高度的重視，針對(duì)當(dāng)前森林資源面臨的嚴(yán)峻的趨勢(shì)，制定合理的資源管理方案，加強(qiáng)對(duì)森林資源的全面管理，保護(hù)我國(guó)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(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，堅(jiān)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(shí)現(xiàn)對(duì)森林資源的合理開發(fā)利用。

式中：Fjimax——i振型j質(zhì)點(diǎn)上的最大水平地震作用;mj——j質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量;ηi——i振型的參與系數(shù);δji——i振型j質(zhì)點(diǎn)的振型位移;Aaimax——系統(tǒng)在i振型中的最大絕對(duì)加速度,——地基水平運(yùn)動(dòng)最大加速度;βi——i階振型的動(dòng)力放大系數(shù);K——地震系數(shù);wj——集中于j質(zhì)點(diǎn)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(jì)規(guī)范給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜(β譜),可求得對(duì)應(yīng)于某一振型各質(zhì)點(diǎn)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(duì)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(dòng)時(shí),相應(yīng)于各振型的最大地震作用效應(yīng)一般不會(huì)同時(shí)發(fā)生,我國(guó)現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)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(jì)算,即

2.2 計(jì)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(jì)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(zhǎng)67.8 m,寬41.2 m,面板厚0.6m,碼頭面高程7.0m,設(shè)計(jì)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(jì)算參數(shù)。選取高樁碼頭前方樁臺(tái)1個(gè)結(jié)構(gòu)段,采用空間計(jì)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(diǎn)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(jì)算單元及邊界條件。碼頭縱橫梁、鋼管樁及PHC樁采用梁?jiǎn)卧猙eam188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(shí)際相對(duì)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(diǎn)法考慮,土對(duì)樁的垂直約束由樁軸向的彈簧單元combin43模擬,彈性長(zhǎng)樁的受彎嵌固點(diǎn)深度用m法計(jì)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(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)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(jì)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(jì)算中,只需取前面幾個(gè)振型就可以滿足實(shí)際工程的需要。筆者采用分塊蘭索斯(blocKlanczos)法對(duì)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(duì)上述4種叉樁布置形式的碼頭結(jié)構(gòu),在縱、橫2個(gè)方向進(jìn)行水平地震激勵(lì),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(duì)稱布置時(shí),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(duì)稱布置時(shí),樁彎矩及樁剪力均較大。橫向地震作用下,樁基為縱軸對(duì)稱布置時(shí),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(duì)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(duì)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(gè)方向都能抵抗水平地震作用,而雙軸對(duì)稱樁基布置形式的結(jié)構(gòu)響應(yīng)比其他形式相對(duì)較小。

相對(duì)于非對(duì)稱布置形式,在橫向水平地震作用時(shí),橫軸對(duì)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(duì)稱樁基布置形式相比非對(duì)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(duì)水平地震作用橫向、縱向輸入進(jìn)行了地震動(dòng)力響應(yīng)分析,對(duì)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(diǎn)結(jié)論：

a.在不同方向的水平地震作用下,叉樁非對(duì)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(jì)中應(yīng)盡量避免采用該種形式。

b.樁基橫軸對(duì)稱布置時(shí),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(shí),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(shí),可優(yōu)先考慮采用樁基橫軸對(duì)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(gè)方向都能抵抗水平地震作用,而雙軸對(duì)稱布置形式的結(jié)構(gòu)響應(yīng)比其他形式相對(duì)較小,在叉樁不會(huì)碰樁的情況下,采用樁基雙軸對(duì)稱布置形式較為合理。

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