水平地震作用下全直樁碼頭底梁作用影響分析

汪 雨，孫克俐

（天津大學(xué)港口海岸及近海工程系，天津 300350）

引言

全直樁梁板式碼頭具有透空性好、對(duì)河流泄洪影響較小、施工速度較快、工程造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，在內(nèi)河碼頭建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。然而，該結(jié)構(gòu)上的水平力全部由直樁承擔(dān)，而直樁抵抗水平力的能力相對(duì)較弱；在較大水平力的作用下，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移可能超過容許值。因此，針對(duì)這一系列特點(diǎn)，在該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增設(shè)底梁形成一種新型結(jié)構(gòu)，可有效提高碼頭結(jié)構(gòu)的整體性及水平承載能力。

近年來，就該結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力性能已開展了相關(guān)研究。在靜力性能方面，任啟江[1]等對(duì)比分析了水平撞擊力作用下有無底梁及有無靠船梁全直樁碼頭單橫向排架的受力變形特性；盧陳[2]針對(duì)某有底梁全直樁碼頭進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，通過相似理論推導(dǎo)和配比試驗(yàn)確定合適的模型材料，通過分級(jí)加載的方式，研究不同大小水平力作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移和樁身彎矩的變化規(guī)律。在動(dòng)力性能方面，劉曉平[3]等對(duì)比分析了有無底梁全直樁結(jié)構(gòu)前三階的振型特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)有底梁結(jié)構(gòu)的自振振幅更小、固有頻率更大，結(jié)構(gòu)的整體剛度有所提升，但未對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能進(jìn)行深入探討。

底梁式全直樁碼頭結(jié)構(gòu)在我國(guó)主要應(yīng)用于長(zhǎng)江中上游水位差較大的地區(qū)，而這些地區(qū)也是地震頻發(fā)區(qū)，但目前關(guān)于該種結(jié)構(gòu)抗震性能及其中底梁作用影響的研究相對(duì)較少。本文在保持碼頭材料體積基本相同的情況下，分別對(duì)全直樁單層梁結(jié)構(gòu)和雙層梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析，研究底梁對(duì)全直樁碼頭地震響應(yīng)特性的影響，為工程實(shí)踐中該結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立

1.1 模型尺寸

本文選取某全直樁碼頭的一個(gè)結(jié)構(gòu)段（3 跨4榀排架）作為研究對(duì)象，分別建立單層梁和雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)模型，如圖1 和圖2 所示。模型整體坐標(biāo)為笛卡爾坐標(biāo)系，x 軸平行于碼頭前沿線，y軸垂直于碼頭面向上為正，z 軸垂直于碼頭前沿線由陸側(cè)指向水側(cè)。碼頭面頂高程5.0 m，前沿設(shè)計(jì)底高程-10.0 m，樁底標(biāo)高為-31.0 m。碼頭結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度為26.6 m，橫向排架間距8.2 m，各橫向排架中直樁間距6.6 m；樁基為直徑1.2 m、厚度17 mm 的鋼管樁；面板厚度0.3 m。單層梁結(jié)構(gòu)模型中，橫梁截面尺寸為1.0 m×1.5 m，縱梁截面尺寸為0.8 m×1.4 m。雙層梁結(jié)構(gòu)模型中，底梁位于頂梁下方9 m 處；為保持材料用量與單層梁結(jié)構(gòu)基本相同，頂橫梁截面尺寸縮減為0.8 m×1.2 m，頂縱梁截面尺寸縮減為0.6 m×1.1 m；底橫梁截面尺寸為0.5 m×1.0 m，底縱梁截面尺寸為0.5 m×0.9 m。

圖1 單層梁全直樁碼頭有限元模型

圖2 雙層梁全直樁碼頭有限元模型

1.2 材料參數(shù)

本文采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)?？紤]到反應(yīng)譜法中只有線性行為是有效的，碼頭中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管樁均采用線彈性本構(gòu)模型，構(gòu)件材料屬性見表1。

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

1.3 計(jì)算單元及邊界條件

采用殼單元SHELL43 模擬面板，采用梁?jiǎn)卧狟EAM188 單元模擬縱橫梁和樁基，通過定義截面偏移模擬梁板間的實(shí)際相對(duì)位置。采用質(zhì)量單元MASS21 模擬碼頭面上的堆載附加質(zhì)量（30 kN/m2）。采用垂直于樁軸向的彈簧單元COMBIN14 模擬樁側(cè)土對(duì)樁的約束作用，根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》[4]，按地基抗力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的線彈性地基法—m 法進(jìn)行模擬。

碼頭結(jié)構(gòu)各構(gòu)件之間通過共節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整體的剛性連接；考慮到樁基為嵌巖樁，故將樁底部設(shè)置為固結(jié)。

1.4 地震反應(yīng)譜的選取

本碼頭所在區(qū)域地震設(shè)防烈度為7 度，場(chǎng)地復(fù)雜程度等級(jí)為Ⅱ級(jí)。結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，水平向地震系數(shù)0.1，采用《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中的β譜曲線進(jìn)行水平地震響應(yīng)分析，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

2 底梁作用影響分析

2.1 底梁對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響

單層梁和雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)前10 階固有頻率隨模態(tài)階數(shù)的變化曲線如圖3 所示。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)固有頻率變化曲線

由圖3 可知，單層梁和雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的固有頻率變化趨勢(shì)基本相似，隨階數(shù)遞增均呈分段集中分布。兩種結(jié)構(gòu)的固有頻率在前三階模態(tài)的變化幅度均較小，在第三階與第四階模態(tài)間均發(fā)生明顯躍升，而后隨著模態(tài)階數(shù)的增加逐步增大。但雙層梁結(jié)構(gòu)的固有頻率明顯大于單層梁結(jié)構(gòu)，隨著階數(shù)的遞增，兩種結(jié)構(gòu)固有頻率的差值越來越大。而結(jié)構(gòu)的固有頻率一般與其剛度成正比，可見布設(shè)底梁可以顯著提高全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的整體剛度。

2.2 底梁對(duì)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的影響

沿碼頭橫向分別對(duì)單層梁和雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平地震動(dòng)激勵(lì)，并按SRSS 法進(jìn)行效應(yīng)組合，得到兩種結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)如圖4 所示。

圖4 水平地震作用下兩種結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)

由圖4 可知，在相同烈度的水平地震作用下，雙層梁結(jié)構(gòu)最大位移為23.2 mm，相比于單層梁結(jié)構(gòu)的最大位移（35.0 mm）減小了約33 %。兩種結(jié)構(gòu)的最大位移均發(fā)生在最左側(cè)排架近海側(cè)樁基頂部，將該樁命名為1 號(hào)樁。兩種結(jié)構(gòu)中1 號(hào)樁側(cè)向位移沿樁身變化規(guī)律如圖5 所示。

圖5 兩種結(jié)構(gòu)樁基位移對(duì)比

由圖5 可知，相同地震荷載作用下，單層梁和雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)樁側(cè)向位移沿樁深的變化規(guī)律基本相似，從樁底到樁頂位移均呈逐漸增大的趨勢(shì)，并在樁頂處達(dá)到最大值。但相比于單層梁結(jié)構(gòu)，雙層梁結(jié)構(gòu)樁位移的增大趨勢(shì)在底梁以上部分明顯減緩；而樁基的側(cè)向位移一般與其剛性系數(shù)有關(guān)：剛性系數(shù)越大，側(cè)向位移越小[6]。因此，布設(shè)底梁可以增大全直樁碼頭樁基頂部的法向位移和轉(zhuǎn)角位移剛性系數(shù)，進(jìn)而提高上部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，有效減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。

2.3 底梁對(duì)樁基內(nèi)力的影響

在相同烈度的水平地震作用下，單層梁和雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)1 號(hào)樁剪力對(duì)比見圖6。

圖6 兩種結(jié)構(gòu)樁基剪力對(duì)比

由圖6 可知，兩種結(jié)構(gòu)的樁身剪力值在樁頂至底梁上方這一段基本相近；但在底梁下方到泥面這一段，雙層梁結(jié)構(gòu)的樁身剪力值由于在底梁連接處發(fā)生突變而大于單層梁結(jié)構(gòu)；在泥面下方，雙層梁結(jié)構(gòu)的的樁身剪力值則明顯小于單層梁結(jié)構(gòu)。

在相同烈度的水平地震作用下，單層梁和雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)中1 號(hào)樁彎矩對(duì)比見圖7。

圖7 兩種結(jié)構(gòu)樁基彎矩對(duì)比

由圖7 可知，兩種結(jié)構(gòu)樁身彎矩均在樁基頂部與泥面附近出現(xiàn)峰值點(diǎn)，其中，雙層梁結(jié)構(gòu)的樁頂彎矩值相比于單層梁結(jié)構(gòu)減小了約40 %，泥面下彎矩峰值減小了約20 %。與單層梁結(jié)構(gòu)不同的是，雙層梁結(jié)構(gòu)樁身彎矩在底梁與樁基連接處附近發(fā)生局部突變，出現(xiàn)了一個(gè)與樁頂彎矩值大小相近的峰值點(diǎn)。

分析表明：雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)中，底梁與頂梁共同傳遞水平地震力，一方面使得較大的地震力轉(zhuǎn)變成了較小的分散力作用在樁基上，限制了樁端的剪切變形，使得樁基受力更為均勻，泥面下樁彎矩和剪力均減小；另一方面水平力分散到更低的位置進(jìn)行傳遞，減小了結(jié)構(gòu)柔度，提高了結(jié)構(gòu)剛度，樁頂彎矩減小。另外，布設(shè)底梁會(huì)導(dǎo)致樁基與底梁連接處出現(xiàn)剪力突變及彎矩峰值，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注，保證該處具有足夠的承載能力。

2.4 底梁對(duì)橫梁軸力的影響

由分析可知，雙層梁結(jié)構(gòu)中，底橫梁主要起到和頂橫梁共同傳遞水平力的作用。因此，下面取1號(hào)樁上部橫梁為研究對(duì)象，就增設(shè)底梁對(duì)于頂橫梁軸力的具體影響進(jìn)行分析。單層梁和雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)頂橫梁軸力分布如圖8 所示。

圖8 兩種結(jié)構(gòu)頂橫梁軸力對(duì)比

由圖8 可知，在相同烈度的水平地震作用下，單層梁和雙層梁結(jié)構(gòu)頂橫梁軸力的變化規(guī)律基本相似，由于樁的抗彎作用，兩者的軸力值在樁后均呈急劇減少的趨勢(shì)。相比于單層梁結(jié)構(gòu)，雙層梁結(jié)構(gòu)頂橫梁兩端的軸力值明顯減小，而中部的軸力值則有所增大，總體軸力峰值減小了約20.8 %，改善了單層梁結(jié)構(gòu)橫梁兩端軸力明顯大于中間的問題?？梢娫鲈O(shè)底梁后，可以有效減小頂橫梁軸力，使其分布更加均勻，進(jìn)而對(duì)碼頭上部結(jié)構(gòu)受力有利。

3 結(jié)語

本文從結(jié)構(gòu)位移、樁基內(nèi)力、橫梁內(nèi)力三個(gè)方面，對(duì)單層梁和雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平地震作用下的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）在碼頭材料用量基本相同的情況下，選擇增設(shè)底梁的雙層梁結(jié)構(gòu)，可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，增大結(jié)構(gòu)的自振頻率，有效減小結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，有利于碼頭的安全使用。

2）增設(shè)底梁后，樁頂彎矩值明顯減小，有利于樁頂與橫梁連接接頭處理；但樁基與底梁連接處會(huì)出現(xiàn)彎矩峰值及剪力突變，在設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注該處樁的承載情況。

3）相比于單層梁結(jié)構(gòu)，雙層梁全直樁碼頭結(jié)構(gòu)的樁基及頂橫梁內(nèi)力分布更為均勻，有利于充分發(fā)揮構(gòu)件強(qiáng)度，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。