采用碳纖維布加固的高樁碼頭地震響應(yīng)數(shù)值模擬分析

莊 寧,鄭 苗,孫浩東,陳俊舟

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098;2.河海大學(xué) 水利工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，南京 210098 )

在應(yīng)用廣泛的碼頭形式中，高樁碼頭應(yīng)用較多。通過震害調(diào)查可知：高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)主要受水平地震慣性力作用，震害相對(duì)較輕，其震害主要集中在下部結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)。地震作用下高樁碼頭的破壞形式主要有兩種：一種是土體發(fā)生液化，導(dǎo)致承載力不足；第二種為樁基在軟硬土分界處發(fā)生樁身曲率過大,而發(fā)生破壞。同時(shí)，地震使樁基和梁相交處產(chǎn)生很大的彎矩和剪切力，導(dǎo)致基樁頂部剪斷或者塑性損傷。前人的研究表明，樁板連接處最易發(fā)生破壞，加固樁板連接處可以起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎能力。

1984年日本利用碳纖維片修補(bǔ)鐵路橋橋墩的裂縫，這是第一次試用于既存結(jié)構(gòu)物。1995年阪神地震的災(zāi)后修復(fù)中大量使用了CFRP修補(bǔ)加固技術(shù)。美國(guó)是FRP材料應(yīng)用較為廣泛的國(guó)家。自20世紀(jì)30年代美國(guó)便著力于此方面的研究，主要用于航空航天領(lǐng)域，并相繼出臺(tái)了FRP在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。歐洲對(duì)CFRP的研究始于20世紀(jì)70年代的德國(guó)， 1997年英國(guó)至少有30座橋梁和結(jié)構(gòu)物采用了CFRP加固和修補(bǔ)。2001年，國(guó)際結(jié)構(gòu)混凝土聯(lián)合會(huì)(FIB)出版了FRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)范，總結(jié)了歐洲各國(guó)在FRP加固領(lǐng)域的研究成果[1]。

我國(guó)目前在役很多高樁碼頭由于設(shè)計(jì)建設(shè)年代較早，抗震級(jí)別存在嚴(yán)重不足，高樁碼頭在使用過程中發(fā)生損壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降，存在安全隱患，嚴(yán)重威脅整體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)[2]。碳纖維復(fù)合材料作為補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，加固結(jié)構(gòu)后具有較好的耐久性和減震效果[3]。

目前，在橋梁和房建方向等領(lǐng)域，徐相國(guó)[4],Mingbo D[5],張維[6]等人已做了大量研究，結(jié)果證實(shí)經(jīng)碳纖維布加固后結(jié)構(gòu)的抗震性明顯提高。而目前對(duì)于港口工程領(lǐng)域利用碳纖維材料加固碼頭結(jié)構(gòu)的研究主要集中在提高結(jié)構(gòu)承載力方面，如李勇[7]針對(duì)丹東港大東港區(qū)泊位，利用碳纖維材料加固進(jìn)行高樁梁板式碼頭的修復(fù)； Al-Salloum、Almusallam[8]研究了梁柱節(jié)點(diǎn)的延性，并對(duì)六個(gè)混凝土柱樣品用環(huán)氧樹脂粘貼碳纖維布加固后進(jìn)行對(duì)比；劉陽陽等[9]通過靜載試驗(yàn)針對(duì)高樁碼頭梁構(gòu)件進(jìn)行碳纖維布加固，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)延性、剪切阻力等均得到提高。Ozbakkalogu等[10]使用了 FRP 永久模板加固高強(qiáng)混凝土方形柱并進(jìn)行反復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，矩形截面柱進(jìn)行倒角后進(jìn)行 FRP 加固，有效提高 FRP 材料加固試件的承載力和抗震性能。Colomb[11]在FRP 加固短柱的試驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)加固后的短柱破壞形式由剪切破壞變?yōu)閺澢茐暮蛷澕羝茐模讨某休d力和延性均得到增強(qiáng)了。 Colalillo[12]實(shí)驗(yàn)了反復(fù)荷載作用下 CFRP 加固的鋼筋混凝土梁的抗剪和抗彎性能，結(jié)果表明，CFRP 加固后梁的抗剪和抗彎承載力性能較加固前均得到提高，橫向粘貼 FRP 對(duì)裂縫形式和斜裂縫的開展具有很大影響。

由此可知，CFRP加固能有效提升結(jié)構(gòu)的整體承載力、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而目前對(duì)于CFRP材料加固高樁碼頭時(shí)，結(jié)構(gòu)抗震性能研究較少，因此開展此項(xiàng)研究具有十分重要的理論和實(shí)際工程意義。

1 工程概況及模型建立

表1 實(shí)際高樁碼頭尺寸Tab.1 Actual high pile wharf size m

本文主要依托某港區(qū)千噸級(jí)雜貨泊位的高樁碼頭，采用的是梁板結(jié)構(gòu)，地震設(shè)防烈度為8度，選擇了一個(gè)碼頭典型結(jié)構(gòu)剖面，圖1為高樁碼頭的斷面圖?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40，碼頭尺寸如表1所示。建設(shè)場(chǎng)地地質(zhì)年代屬于第四紀(jì)全新世層，場(chǎng)地類別為Ⅰ類，從上到下地層組成為亞粘土、黏土和板巖。亞粘土和黏土的土層含水量大于20%，具有很強(qiáng)壓縮性，表現(xiàn)為流塑狀，承載力較低，第三層的板巖為持力層。

表2 碳纖維布加固的碼頭的模型尺寸Tab.2 Model dimensions of wharf strengthened with fiber sheet m

本文模型基于實(shí)際工程，主要結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示，模型土體的縱向的大小為60 m，橫向大小為85 m。由于碼頭方向結(jié)構(gòu)和荷載對(duì)稱，同時(shí)又考慮結(jié)構(gòu)段相互獨(dú)立性，建立了一個(gè)由4個(gè)排架組成的結(jié)構(gòu)段來模擬碼頭結(jié)構(gòu)，樁基編號(hào)如圖2所示(同一個(gè)排架的第一個(gè)數(shù)字相同，第二個(gè)數(shù)字為該排架的樁基的序號(hào)(從海側(cè)向陸側(cè)))。

圖1 高樁碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖(單位:高程:m;尺寸:mm)Fig.1Sectiondiagramofhighpilewharfstructure圖2 高樁碼頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Schematicdiagramofhighpilewharfstructure

此次研究選取了EI-Centro波，該地震波在地震響應(yīng)研究中廣泛應(yīng)用[13]，縱向施加地震波，持續(xù)時(shí)間15 s，其加速度如圖3所示。峰值加速度為0.2 g，抗震設(shè)防烈度為8度。

模型中樁基、面板、縱梁、橫梁和土體采用ABAQUS軟件中的實(shí)體C3D8R單元，節(jié)省計(jì)算時(shí)間[14]。碳纖維布(CFRP)采用四節(jié)點(diǎn)膜單元(M3D4)進(jìn)行模擬，減縮積分的四邊形膜單元只有面內(nèi)剛度，沒有抗彎剛度[15]?；炷敛糠植捎玫氖菑椝苄該p傷模型[16]，可以較為真實(shí)的模擬結(jié)構(gòu)在地震波下的響應(yīng)。在阻尼計(jì)算方面，采用瑞利阻尼進(jìn)行計(jì)算。由于后期土體在重力作用下會(huì)產(chǎn)生位移和應(yīng)力，導(dǎo)致計(jì)算分析結(jié)果極不合理，本文采用initial conditions語句進(jìn)行的地應(yīng)力平衡方法[17]，然后再進(jìn)行地震動(dòng)力分析。

2 模型動(dòng)力響應(yīng)驗(yàn)證

圖4 提取點(diǎn)位置示意圖Fig.4 Illustration of extraction points

對(duì)無限元和有限元相耦合的模型(未加固碳纖維布的模型)的底部輸入加速度峰值為0.1 g EI-Centro 地震波，設(shè)置觀察點(diǎn)，然后提取其地震加速度時(shí)程，以此來觀察模型的地震動(dòng)力響應(yīng)的情況。如圖4所示，觀察點(diǎn)A設(shè)置在樁基的中部，距離最上的土層1 m，另外觀察點(diǎn)B設(shè)置在樁基的底部，觀察點(diǎn)C設(shè)置在無限單元邊界。輸入地震波后，分別提取三個(gè)觀察點(diǎn)的加速度時(shí)程，見圖5所示。對(duì)比可知，各個(gè)觀察點(diǎn)的加速度和對(duì)模型施加的地震波曲線線型基本相同。由于地震波傳遞的路徑和不同的土層，各個(gè)觀察點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線還是存在一定的差異，各點(diǎn)出現(xiàn)峰值的時(shí)刻基本一致。另外發(fā)現(xiàn)越是靠近施加地震波的位置的點(diǎn)，觀察點(diǎn)的加速度時(shí)程響應(yīng)越是明顯，波形中變動(dòng)變化較多，這與土層的阻尼消耗是有關(guān)系的。各個(gè)觀察點(diǎn)的時(shí)程曲線與輸入的地震波的曲線基本一致，這就說明模型的邊界設(shè)置等是可靠有效的。

5-a0.1gEI-Centro地震波5-b觀察點(diǎn)A的加速度曲線5-c觀察點(diǎn)B加速度曲線5-d觀察點(diǎn)C加速度曲線圖5 提取點(diǎn)加速度時(shí)程曲線Fig.5Accelerationtimehistorycurveofextractionpoints

3 加固部位的影響

研究表明地震中高樁碼頭樁基是最易發(fā)生破壞的構(gòu)件[18]，因此分別建立只加固樁身頂部的工況一和加固樁基橫梁節(jié)點(diǎn)的工況二(如圖6和圖7所示)以及不加固的工況三。其中，工況一的模型只加固樁基頂部1 m的長(zhǎng)度，工況二中碳纖維布沿著樁基向下環(huán)包加固1 m，部梁底從節(jié)點(diǎn)處開始向左右加固U形碳纖維布各60 cm，加固方式的簡(jiǎn)圖如圖8所示。對(duì)比施加地震波后，三種工況下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

圖6 加固碼頭樁頂示意圖Fig.6Schematicdiagramofreinforcedpiletopofwharf圖7 加固的碼頭樁基節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.7Schematicdiagramofthereinforcewharfpilefoundation圖8 碳纖維布加固方式的簡(jiǎn)圖Fig.8SimplediagramofstrengtheningmethodofcarbonFibersheet

3.1 碼頭面板動(dòng)力響應(yīng)

圖9 EI-Centro波碼頭面板水平位移Fig.9 Horizontal displacement of wharf panel under EI-Centro wave

圖9為對(duì)不同的工況的碼頭結(jié)構(gòu)施加EI-Centro波時(shí)碼頭面板的水平位移曲線。相應(yīng)的面板向陸側(cè)和海側(cè)水平位移的峰值對(duì)比如表3所示。從圖表分析可知，在地震波作用下，未加固的碼頭結(jié)構(gòu)和僅加固樁頂?shù)拇a頭結(jié)構(gòu)水平位移反應(yīng)線型相似，峰值出現(xiàn)的時(shí)刻基本相同。工況一和工況二中，碼頭最大的負(fù)向水平位移均減小，抗震性能得到提升。相比工況一，工況二中碼頭面板向海陸側(cè)的位移降低值較大，抗震性能提升幅度明顯，這是由于CFRP加固節(jié)點(diǎn)保證了樁基和橫梁共同作用，對(duì)地震作用下的響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。

表3 在不同地震波作用下碼頭面板向海陸側(cè)位移峰值Tab.3 Peak displacement of wharf panels to sea and land under different seismic waves m

表4 El-centro波下樁1-1樁頂峰值相對(duì)位移
Tab.4 Peak relative displacement of pile top of pile 1-1 under El-centro wave

m

圖10 EI-Centro波下碼頭1-1樁身相對(duì)位移Fig.10 Relative displacement of wharf pile 1-1under EI-Centro wave

地震波未加固加固樁頂加固節(jié)點(diǎn)El-centro波0.15610.14560.1101

3.2 樁身相對(duì)位移的影響

圖10為在EI-Centro波作用下不同工況下的樁身1-1相對(duì)位移響應(yīng)，碼頭樁頂相對(duì)位移峰值如表4所示。從圖表分析可知，加固前后樁身相對(duì)位移變化曲線基本相似，自樁底到樁頂，相對(duì)位移逐漸增大。由于土體與樁的相互作用，在其交界處以上5 m的位置，出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，斜率發(fā)生改變。同時(shí)，與未加固的樁身相比，工況一和二均減小了樁基樁頂?shù)南鄬?duì)位移，提高了碼頭的抗震性能。但由于土體對(duì)樁基的約束作用，對(duì)樁身的影響效果較小。此外，相對(duì)于工況一，工況二能較大幅度減少樁身相對(duì)位移。

圖11 EI-Centro波下不同工況的樁頂峰值彎矩Fig.11 Peak bending moment of pile top under different working conditions under EI-Centro wave

表5 EI-Centro波下樁頂彎矩值及變化率Tab.5 Moment value and change rate of pile top under EI-Centro wave

3.3 樁身彎矩響應(yīng)

對(duì)三種工況下的碼頭結(jié)構(gòu)分別施加EI-Centro波，提取各個(gè)樁基樁頂處峰值彎矩，并繪制圖11。不同工況的樁基頂部峰值彎矩值及變化率如表5所示。從圖表分析可知工況一和二都可以起到減小碼頭結(jié)構(gòu)樁基頂部峰值彎矩的作用，同時(shí)工況一在地震波作用下，峰值彎矩變化率較小?？梢妰H加固樁基頂部并不能有效的降低樁頂?shù)膹澗刂担祭w維布加固樁基節(jié)點(diǎn)的作用更加顯著。

4 加固厚度的影響

由以上分析可知，與工況一相比，工況二的抗震性更加明顯，故將重點(diǎn)研究加固碼頭樁基節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)。在原加固節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，改變碳纖維布的加固厚度來研究其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

4.1 碼頭面板動(dòng)力響應(yīng)

為得出碳纖維布加固厚度對(duì)碼頭面板動(dòng)力響應(yīng)的影響，設(shè)置厚度分別為1、2、3層的碳纖維布，加固的部位是碼頭樁基節(jié)點(diǎn)。圖12為在EI-Centro波作用下，不同加固厚度的碼頭面板向海側(cè)位移峰值的變化。碼頭分別加固1層和2層碳纖維布時(shí)，海側(cè)位移峰值有較大幅度的降低，而當(dāng)它加固3層時(shí)，面板向海側(cè)位移的降低幅度不大。說明隨著加固厚度的增加，位移值的降低速率減小，碳纖維布的使用效率降低。

圖12 EI-Centro波下加固不同厚度碼頭面板向海側(cè)位移峰值Fig.12PeakdisplacementofwharfpanelsstrengthenedwithCFRPofdifferentthicknessunderEI-Centrowave圖13 不同加固厚度樁基1-1的樁身相對(duì)位移峰值響應(yīng)Fig.13Peakrelativedisplacementresponseofpilefoundation1-1strengthenedwithCFRPofdifferentthickness

表6 在0.2 g的EI-Centro波下樁頂相對(duì)位移及變化率Tab.6 Relative displacement and change rate of pile top under 0.2 g EI-Centro wave

4.2 樁身相對(duì)位移的影響

圖14 EI-Centro波下樁基1-1樁身峰值彎矩Fig.14 Peak bending moment of pile foundation1-1 under EI-Centro wave

圖13為對(duì)加固不同厚度CFRP的碼頭結(jié)構(gòu)施加EI-Centro波時(shí)，樁基1-1的樁身相對(duì)位移峰值曲線，樁頂相對(duì)位移及變化率如表6所示。由圖表分析可知，各加固方案的樁身相對(duì)位移峰值曲線的線型基本相似，數(shù)值從樁底到樁頂逐漸增大，在樁頂處達(dá)到最大值。此外，加固厚度對(duì)樁身下部相對(duì)位移的影響不大，其作用效果主要體現(xiàn)在樁基頂部。加固1、2層時(shí)，樁頂相對(duì)位移降低值較大，而加固3層時(shí)變化幅度相對(duì)較小，碳纖維布材料的使用效率降低，與以上碼頭面板的側(cè)向位移響應(yīng)結(jié)論一致。

4.3 對(duì)樁身彎矩的影響

圖14為在EI-Centro波的作用下樁基1-1樁身峰值彎矩響應(yīng)。各個(gè)樁基的樁頂峰值彎矩如表7所示。從圖表中可知不同加固厚度的碼頭結(jié)構(gòu)，自樁底到樁頂，峰值彎矩變化基本一致，彎矩最大的峰值依然出現(xiàn)在樁基頂部。各個(gè)樁基隨著加固節(jié)點(diǎn)厚度的增加，峰值彎矩逐漸減小。碳纖維布加固1、2層時(shí)，對(duì)彎矩值的作用效果和效率相對(duì)比較明顯，而加固3層時(shí)的變化幅度較小，這是由于加固2層CFRP時(shí)，混凝土樁基節(jié)點(diǎn)已具有較大的強(qiáng)度和剛度，來提供約束力。因此針對(duì)本文的碼頭結(jié)構(gòu)，兩層碳纖維布的加固最優(yōu)。

表7 EI-Centro波下樁基樁頂峰值彎矩值及變化率Tab.7 Peak bending moment and change rate of pile top under EI-Centro wave

5 結(jié)論

本文通過建立非線性有限元模型，研究了碳纖維布的加固部位、加固厚度等不同加固參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，分析加固前后高樁碼頭面板和樁基的位移、彎矩、加速度變化規(guī)律。得出以下結(jié)論：

(1)通過對(duì)比碳纖維布加固前后的結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)加固后的碼頭水平位移和面板加速度減小。在相同的地震波作用下，樁身的相對(duì)位移減小，樁頂峰值彎矩也明顯減小，說明CFRP加固方式非常有效，可顯著提升碼頭的抗震能力，可應(yīng)用于實(shí)際工程；

(2)對(duì)于碳纖維布僅加固碼頭樁基樁頂部位的方案，對(duì)提升碼頭整體的抗震性能十分有限，而加固樁基節(jié)點(diǎn)的方案可以十分有效地降低碼頭面板的水平位移和樁身樁頂處的彎矩值，提升碼頭的抗震能力；

(3)增加碳纖維布加固的厚度可以提升結(jié)構(gòu)的剛度，降低結(jié)構(gòu)在地震波作用下的位移和彎矩值，加固厚度的增加和強(qiáng)度的提高之間并不存在線形關(guān)系，在考慮材料加固成本和提升效果的情況下，存在一個(gè)最優(yōu)加固厚度，對(duì)于本文的碼頭結(jié)構(gòu)，加固兩層碳纖維布是最優(yōu)的。