離岸深水全直樁碼頭的地震損傷分析

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)在不同土層問和土與水問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發(fā)飽和，近幾年來港口工程建設(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)則的定義通過構(gòu)件損傷的加權(quán)組合來反映結(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)的損傷演化過程，并對(duì)鋼材損傷指數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，如圖1所示。根據(jù)線性回歸分析得到的擬合曲線與損傷演化曲線的交點(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，其模型通過水平彈簧和阻尼器來模擬樁與土之問的相互作用，并在樁周土之問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之問結(jié)構(gòu)損傷迅速發(fā)展，這與地震動(dòng)在此時(shí)問內(nèi)加速度峰值較大相對(duì)應(yīng)，此后在8.5-14.5s之問，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，土層剪切波速從100m/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)整體損傷演化過程。從圖11中可以看出3條地震動(dòng)作用下水深為0（無水），10，20和30m工況，結(jié)構(gòu)損傷過程基本一致，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)整體損傷演化過程。從圖12中可以看出，地震動(dòng)1作用下水深為0（無水），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，尤其土層問和土與水問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)。