基于樁土相互作用下高樁碼頭地震響應(yīng)分析

1、第13卷第4期2014年8月江南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）JournalofJiangnanUniversity（NaturalScienceEdition）Vol13AugNo42014基于樁土相互作用下高樁碼頭地震響應(yīng)分析1*112張文敬，張淑華，張淼，喻江（1河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210024）江蘇南京210098；2南京水利科學(xué)研究院，摘要：針對樁土相互作用下髙樁碼頭結(jié)構(gòu)在不同工況下的地震響應(yīng)情況，利用大型商業(yè)軟件ABAQUS建立了樁-土-結(jié)構(gòu)有限元模型。在假定樁土之間非線性作用下，對高樁碼頭在不同地震幅值、土體強度、樁間間距、有無斜樁等工況下進行模擬分析，得到了碼頭面板

2、及樁的位移和加速度動態(tài)響應(yīng)圖。結(jié)果表明：碼頭的地震響應(yīng)隨地震幅值的增大而增強；土體的強度對碼頭的地震響應(yīng)影響相對較??；碼頭結(jié)構(gòu)對碼頭的地震響應(yīng)有較大影響。關(guān)鍵詞：樁土相互作用；髙樁碼頭；地震響應(yīng)分析；數(shù)值模擬中圖分類號：U656113文獻標志碼：A文章編號：16717147（2014）04045706SeismicesponseAnalysisoftheHigh-PileWharfBasedontheInteractionofPilesandSoilZHANGWenjing1，ZHANGShuhua*1，ZHANGMiao1，YUJiang2（1CollegeofHarbor，Costalan

3、dOffshoreEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；2DepartmentofMaterialsandStructuralEngineering，NanjingHydraulicesearchInstitute，Nanjing210024，China）Abstract：Inordertostudytheseismicresponseofthehigh-pilewharfunderthedifferentconditionsconsideringtheinteractionofpilesandsoil，afiniteelementmo

4、delofthepiles-soil-structureisestablishedusingthecommercialABAQUSsoftwareBasedontheassumptionthatnonlineareffectsbetweenthepilesandsoil，thesimulationanalysisofthehigh-pilewharfislaunchedundertheconditionsofdifferentseismicamplitude，intensityofthesoil，pilesspacing，withorwithouttheinclinedpiles，andthe

5、dynamicresponsediagramofthedisplacementandaccelerationofthehigh-pilewharfpanelandpileisobtainedinthispaperTheresultsshowthattheseismicresponseofthewharfincreaseswiththeincreasingoftheseismicamplitudeThestructureofthewharfhaslagereffectontheresponseofwharfKeywords：interactionofpilesandsoil，high-pilew

6、harf，seismicresponseanalysis，numericalsimulation高樁碼頭是常見的碼頭結(jié)構(gòu)型式之一，具有承載能力大、自重小、波浪反射少、建設(shè)過程中砂石用量少等特點，目前已在各國內(nèi)河和外海的深水港口建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。我國是一個地震頻發(fā)1軟弱、持力層埋藏較深的軟土地基上。在地震發(fā)生過程中，土體與碼頭樁基礎(chǔ)之間存在復(fù)雜的動力相互作用：震源引起的地震波通過場地土的傳播輸入到碼頭樁基礎(chǔ)體系，使碼頭整體發(fā)生振動，同時振動的碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生慣性力如同新震源又反過來作用于場地，引起新的場地振動再作用于碼頭結(jié)構(gòu)。所以，當高樁碼頭岸坡入土較深，岸坡土體強度較大時，研究地震下樁基-岸

7、坡的相互作用很有必要。的國家，自2008年汶川大地震以來，我國進入了一個地震高發(fā)的階段。因此，震區(qū)髙樁碼頭結(jié)構(gòu)的抗2震問題已成為防災(zāi)減災(zāi)研究中的一項重要課題。實際工程中，髙樁碼頭通常需要建在上部土層收稿日期：20140115；修訂日期：20140317。作者簡介：張文敬（1989），男，重慶人，港口海岸及近海工程專業(yè)碩士研究生。*通信作者：張淑華（1962），女，北京人，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事港口及近海工程結(jié)構(gòu)研究。Email：1247432740qqcom458江南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）12模型建立第13卷地震作用下高樁碼頭的破壞形式主要有兩種：一是碼頭結(jié)構(gòu)自身破壞，二是土體液化，使碼頭

8、產(chǎn)生整體失穩(wěn)，從而導(dǎo)致破壞3。由于碼頭各個泊位具有相同的機構(gòu)型式，文中地震激勵考慮垂岸方向，故選取碼頭一個泊位進行分析，建立如圖2所示的樁-土-結(jié)構(gòu)體系有限元模型。模型中土體的順岸方向計算寬度取44m，左右兩邊計算寬度各取50m，土體計算高度取45m。整個計算模型采用三維實體單元C3D8（八節(jié)點六面體二次縮減積分單元）和C3D6（六節(jié)點母性三棱柱28200個單元。單元），模型共有78438個節(jié)點、為了保證計算結(jié)果精確并簡化計算，將靠近樁土接觸面的網(wǎng)格劃分的較密，遠離樁土接觸面的劃分的較稀?；炷撩姘搴蜆俄斨g設(shè)置綁定接觸，樁土之間接觸采用主從接觸面模擬。目前，樁-土-結(jié)構(gòu)的動力相互作用分析模型

9、可以分為集中質(zhì)量模型、彈性地基梁模型和有限元模型等。集中質(zhì)量模型又稱多點系質(zhì)量模型，以Penzien模型為代表，模型將樁簡化為多質(zhì)點體系，樁頂添加等效的彈簧阻尼器模擬轉(zhuǎn)動時的剛度，該模型建模簡便，但只能考慮樁土之間彈性剪切變形；彈性地基梁模型以Winkler模型為代表，模型用彈簧和阻尼器等力學(xué)原件模擬樁周圍土體對樁的動力作用，該方法概念清晰，計算難度相對較小，在實際工程中應(yīng)用廣泛；有限元模型基于有限單元法理論，將樁和土分別離散為若干個單元的組合體，樁土之間的接觸行為用接觸單元模擬4。有限元模但其缺點型相對于前兩種模型計算結(jié)果精度更高，在于計算工作量大，建模復(fù)雜。文中采用有限元方法，以髙樁碼頭為

10、研究對象，利用大型商業(yè)軟件ABAQUS建立碼頭結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，對考慮樁土相互作用下的髙樁碼頭結(jié)構(gòu)在不同地震幅值、土體強度、樁間間距、有無斜樁工況下進行了地震響應(yīng)動力時程分析，得到了碼頭面板及樁的位移和加速度動態(tài)響應(yīng)圖，為實際工程應(yīng)用提供了參考。Fig2圖2樁-土-結(jié)構(gòu)體系有限元模型Finiteelementmodelofthepile-soil-structure13111模型的建立工程概況材料參數(shù)及邊界條件面板和樁基均采用C40混凝土，彈性模量3325×104kPa，密度取2500kg/m。泊松比為015，擋土墻是毛石材料，土體有6層，土體的材料參數(shù)見表1。建模過程中地基土體

11、選取巖土分析中常用的DP彈塑性本構(gòu)模型，碼頭和樁采用線彈性本構(gòu)模型。采用動力時程法對樁-土-結(jié)構(gòu)體系進行抗震分析時，土體邊界條件的設(shè)置是影響分析結(jié)果精確度的關(guān)鍵因素。目前，常用的邊界條件主要分為人工邊界條件和自由場邊界條件兩大類。人工邊界條件截取結(jié)構(gòu)物下方的一部分土體通過在土體周圍設(shè)置一系列的彈簧和阻尼器單元，從而過濾掉地震波的反射，其相應(yīng)的物理參數(shù)可通5-6過下式確定：Cb=vsAGKb=A2rb某3000t級件雜貨髙樁碼頭，結(jié)構(gòu)為無梁板式高樁結(jié)構(gòu)，其剖面如圖1所示。樁臺寬度25m，橫向13榀排架組成。排架間距44m，每個結(jié)構(gòu)段由12-樁臺面板厚430mm，路面及磨耗層70mm，樁臺下基樁共

12、6根，每根長26m，截面為邊長550×550mm的正方形截面。（1）圖1Fig1高樁碼頭結(jié)構(gòu)剖面式中：為土體的密度；vs為介質(zhì)剪切波波速；G為介質(zhì)的剪切模量；rb為徑向半徑；A為施加了彈簧和阻尼器處的微元面面積。自由場邊界條件在建模時通過選擇適當?shù)挠婥ross-sectionofthehigh-pilewharfstructure第4期張文敬等：基于樁土相互作用下高樁碼頭地震響應(yīng)分析459算寬度使地震波得到過濾。本模型中由于選取土體范圍較大，基本可視為自由場邊界條件處理。土體表1Tab1土層毛石回填土淤泥質(zhì)黏土亞黏土亞砂土砂巖密度/（kg/m）左右邊界以及土體前后方邊界均設(shè)置垂直于相

13、應(yīng)平面的鏈桿約束，底面為固定約束。土體各層材料參數(shù)凝聚力/kPa020152521492內(nèi)摩擦角/（°）351615252145Physicalparametersofthesoilsinthefoundationofwharfstructures彈性模量/MPa泊松比030260302803302714樁土接觸設(shè)置樁土之間接觸的非線性是最常見的邊界條件非線性問題，也是樁土分析的難點。分析過程中需要考慮到樁土間滑動狀態(tài)、粘結(jié)狀態(tài)和分離狀態(tài)3（1）（2）（1）（2）種情況。在物體和的接觸邊界c和c上，需滿足如下定解條件：1）粘結(jié)狀態(tài)在接觸面的法向和切向位移定解條件分別為1）2）u（+n

14、=0u（nn固結(jié)，樁和土體之間無相對位移。因而在數(shù)值模擬過程中需要考慮初始地應(yīng)力平衡，即平衡掉初始應(yīng)力場（重力引起）產(chǎn)生的位移，得到一個位移為零的9初始應(yīng)力狀態(tài)。初始應(yīng)力場的平衡可按以下步驟進行：1）建立樁土模型，對土體施加重力荷載，提交作業(yè)分析；2）在ABAQUS可視化模塊中提取單元積分點的應(yīng)力，用EXCEL和文本編輯軟件EditPlus等修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保存為aadat形式的文件；3）在ABAQUS的“編輯關(guān)鍵字”窗口添加“*initialconditions，type=stress，input=aadat”語句讀入單元積分點應(yīng)力，形成初始應(yīng)力場；4）重新提交作業(yè)，求解過程就是初始應(yīng)力建立的

15、過程。22地震荷載輸入該碼頭所在地區(qū)為二類場地，根據(jù)規(guī)范可選Centro波作為輸入地震波。取EI-地震波輸入方向為垂岸方向，持續(xù)時間15s。同時，為了滿足規(guī)范要求，需要對實際地震波的幅值進行調(diào)整，使其加速度峰值等于規(guī)范中確定的設(shè)計加速峰值：A'maxa'（t）=a（t）Amax10（2）（3）（4）u（1）ju（2）j=0j=1，22）滑動狀態(tài)1）2）u（+n=0u（nn1）1）|p（|p（|=0（5）n3）分離狀態(tài)接觸面上無法向和切向接觸力作用，表述為1）1）|p（|p（|=0（6）n式中：un為位移矢量；n為接觸初間隙；為摩擦系數(shù)；pn為法向接觸力；p為切向接觸力。文中考慮

16、樁土間協(xié)調(diào)變形和相對滑移與分離的非線性接觸情況。采用主-從接觸算法，通過定義樁土之間主控面（MasterSurface）和從屬面（SlaveSurface）模擬接觸問題7。ABAQUS中采用庫侖摩擦在接觸面切向，（CoulombFriction）模型描述接觸面之間的相互摩擦作用，該模型的方程可表示為（7）crit=pn式中：crit為閉合狀態(tài)時切向應(yīng)力；文中取=04，切向行為采用罰函數(shù)進行接觸的數(shù)值模擬。對大部分接觸問題而言，兩在接觸面的法向，物體只有在壓緊狀態(tài)時才能傳遞法向壓力，當接觸面之間的接觸壓力為零或負值時，兩個接觸面分離，且約束被移開，這種法向行為在ABAQUS中稱為硬（hard）接

17、觸8。文中樁-土接觸面采用的是硬接觸。（8）A'max分別為調(diào)整后的地震加速度曲線式中：a'（t），和峰值，其中A'max取設(shè)防烈度要求的地震加速度；a（t），Amax分別為原地震加速度曲線和峰值。31計算結(jié)果與分析地震動幅值的影響對EI波進行調(diào)幅，使其峰值加速度為01g（g221初始荷載條件地應(yīng)力平衡由于實際工程中土體早已在自重荷載下發(fā)生02g，04g，8級為重力加速度，下同），即對應(yīng)7級，依次施加，探討地震動幅值大小對和9級地震烈度，高樁碼頭地震響應(yīng)的影響。圖3、圖4分別為高樁碼頭在地震作用下碼頭頂面的加速度響應(yīng)時程和樁身的加速度峰值曲線。460江南大學(xué)學(xué)報（自然科

18、學(xué)版）第13卷比值并不一致。這是因為土體發(fā)生了塑性變形，體現(xiàn)了土體的彈塑性。地震烈度越大，碼頭向海側(cè)傾斜的趨勢越明顯：01g地震波作用下，碼頭頂面的位移基本上是在正負之間波動，負向波動更明顯；而在04g地震波作用下，碼頭在6s之后位移都為01g負值。比較地震響應(yīng)結(jié)束后碼頭的殘余位移，圖3Fig3decks碼頭頂面的加速度響應(yīng)時程Time-historiesofthehorizontalaccelerationof04g時碼頭的和02g時，碼頭的殘余位移比較小，殘余位移較大為008m。說明在強震作用下，碼頭變形過大，殘余位移較大，在震后修復(fù)比較困難。32土體強度的影響在地震響應(yīng)過程中，土體對樁基

19、的變形和位移具有約束作用。土體強度越大，土體對樁基的約束作用越強。為了便于比較和分析，將土體簡化為一層，計算兩種工況，考慮土體彈性模量為15和30MPa。分析高樁碼頭在01g地震荷載作用時的地震響應(yīng)。高樁碼頭頂面的位移時程如圖6所示。圖4Fig41號樁身峰值加速度曲線Peakaccelerationcurveofpile1由圖3可以看出，各級地震波作用下，碼頭頂面加速度峰值之間的比值接近124。在圖4中，樁頂?shù)募铀俣软憫?yīng)明顯大于樁底輸入的加速度，并且周期有所增大，由此反映了土體對地震波的過濾和放大作用。同時可以看到，樁的地震加速度響應(yīng)從底往上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并在樁和岸坡土體交界處附近

20、達到了峰值。因此，樁和岸坡交界面處承擔了較大地震荷載分量，地震作用時可能會發(fā)生嚴重破壞。為了減小地震時樁基的破壞，可以在樁和岸坡的交界面處對岸坡土體的強度適當加強。圖5為碼頭頂面的位移響應(yīng)時程。圖6Fig601g時碼頭頂面的位移響應(yīng)時程Time-historiesofthehorizontaldisplacementofdecksattheaccelerationof01g在地震波作用下，土體彈性模由圖6可以看出，量E=15MPa時，碼頭頂面的最大位移為004m；E=30MPa時最大位移為0048m。因此，震后高樁碼頭的殘余位移差別不大。隨著土體強度的提高，碼頭頂面的位移呈減小趨勢。比較土體彈

21、性模量不同情況下碼頭頂面的加速度響應(yīng)時程（見圖7）。圖5Fig5碼頭頂面的位移響應(yīng)時程ofthehorizontalTime-historiesdisplacementofdecks由圖5可以看出，位移響應(yīng)的周期明顯比加速度的周期大。比較各級地震下碼頭的最大位移值，01g時最大位移位為004m，02g時最大位移為01m，04g時最大位移為022m，發(fā)生的時間點基本相同，都在6s附近。結(jié)合整個時間段的位移時程圖可以看出，位移的比值與所施加的加速度大小的Fig7圖701g時碼頭頂面的加速度響應(yīng)時程Time-historiesofthehorizontalaccelerationofdecksatt

22、heaccelerationof01g隨著地基土強度的提高，加速由圖7可以看出，度峰值增加，即土體對樁基的約束作用增強，但在其加速度小的區(qū)段，兩者差異不大。第4期張文敬等：基于樁土相互作用下高樁碼頭地震響應(yīng)分析461由上述分析可以看出，提高地基土的強度可以增加土體對樁基的約束，減小樁基的變形和位移，但減小的幅度不大。因此，通過提高地基土體強度減小地震時高樁碼頭的位移和變形效果不明顯。33碼頭結(jié)構(gòu)型式的影響高樁碼頭在地震的作用下產(chǎn)生振動。碼頭的剛度、自振頻率、結(jié)構(gòu)尺寸等都會對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生影響。合理選擇和設(shè)計碼頭結(jié)構(gòu)型式，一方面可以減小地震對碼頭的損害，另一方面可以減少建筑成本，充分發(fā)揮

23、結(jié)構(gòu)的抗震能力。331樁間間距的影響增大樁基的間距，將碼頭的樁基數(shù)量由6根減為5根，但最前端和最后端兩根樁的位置保持不變，計算碼頭的響應(yīng)情況。01g時碼頭頂面的位移和加速度響應(yīng)時程如圖8和圖9所示。加，并且發(fā)生的時刻都有些滯后。這說明碼頭上每根樁基所承擔的地震荷載增加，碼頭的變形加劇。因而，在碼頭設(shè)計時應(yīng)根據(jù)其承載能力需要和所在地區(qū)抗震烈度的要求選擇合適的樁基數(shù)量。同時可以看到，兩個碼頭在震后的殘余位移相差并不大，這說明碼頭最前端和最后端的樁在碼頭抗震時起到了關(guān)鍵的作用。332直樁和斜樁的影響在現(xiàn)有的高樁碼頭結(jié)構(gòu)型式中，主要分為有斜樁和無斜樁兩種。其中，帶有斜樁的高樁碼頭在承受船舶停泊、靠岸和

24、裝卸操11作產(chǎn)生的側(cè)向荷載方面表現(xiàn)出良好的性能。但目前很少有對斜樁高樁碼頭和直樁髙樁碼頭在震害作用時的對比研究。文中對碼頭的結(jié)構(gòu)型式進行了一些改動，把中間的一根直樁替換成了兩根斜樁，樁的尺寸及強度等其他條件不變。圖10為兩種不同高樁碼頭結(jié)構(gòu)型式。對結(jié)構(gòu)體系施加峰值為01g的地震波，比較其碼頭頂面位移的時程變化，具體結(jié)果如圖11所示。圖8Fig801g時碼頭頂面的位移響應(yīng)時程Time-historiesofthehorizontaldisplacementofdecksattheaccelerationof01g圖9Fig901g時碼頭頂面的加速度響應(yīng)時程ofthehorizontal圖10Fi

25、g10兩種不同結(jié)構(gòu)型式的高樁碼頭Time-histories01gaccelerationofdecksattheaccelerationof由圖8可以看出，隨著碼頭樁基的減少，碼頭頂6根樁情況下的碼頭頂面的最大位面的位移增大。5根樁情況下碼頭頂面的最大位移為移是004m，005m，出現(xiàn)的時刻稍有些滯后。地震后碼頭面的6根樁情況下殘余位移相差不大。由圖9可以看出，25根樁時碼頭的碼頭頂面的最大加速度是2m/s，5根樁時由此可見，頂面的最大加速度為26m/s。的峰值加速度比6根樁情況下要大，出現(xiàn)時刻也有些滯后。因此，減小樁基的數(shù)量，增加樁基的間距，會導(dǎo)致碼頭頂面位移的增大，碼頭頂面的峰值加速度增

26、2Twodifferentkindsoflongpipewharfstructures圖11Fig11兩種情況下碼頭頂面的位移響應(yīng)時程Time-historiesofthehorizontaldisplacementofdecksinthesetwoconditions462江南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第13卷由圖11可以看出，斜樁碼頭頂面的最大位移為0065m，全直樁碼頭頂面的最大位移為012m。因此，斜樁碼頭相對全直樁碼頭，碼頭頂面的水平位移大大減小。這主要是因為用一對斜樁替換一根直樁后，碼頭的剛度增加，而且斜樁相對于直樁，可以承受更大的水平荷載。但是也要看到，斜樁碼頭相對于直樁碼頭的震后的

27、殘余位移較大，不利于碼頭的修復(fù)。所以，在一般的高樁碼頭抗震設(shè)計中，應(yīng)適當布置斜樁，以減小碼頭在地震作用下的橫向變形。4結(jié)語#1）在不同震級地震荷載作用下，碼頭前沿1的最大加速度響應(yīng)均發(fā)生在樁和岸坡土體交接處，因而在碼頭設(shè)計過程中該部位需要重點考慮；2）增加土體強度可以在一定程度上提高地震作用過程中土體對碼頭的約束，但效果不明顯；3）減少樁基數(shù)量會引起碼頭頂面位移增大，因此在設(shè)計過程中確定樁基數(shù)量時需謹慎；4）髙樁碼頭設(shè)計時適當布置斜樁可以減小其在地震作用時的橫向變形。參考文獻（eferences）：1邱駒港口水工建筑物M天津：天津大學(xué)出版社，20022付東王，J水運工程，2011（3）：71-

28、75李洪煊，郭興文，等高樁碼頭結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析FUDongwang，LIHongxuan，GUOXingwen，etalSeismicresponseanalysisofhigh-pilewharfJPortandWaterwayEngineering，2011（3）：71-75（inChinese）3劉曉沉箱碼頭地震破壞及地基加固的非線性數(shù)值分析2009D大連：大連理工大學(xué)，4肖曉春，J世界地震工程，2002，18（4）：123-129林皋，遲世春樁-土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的分析模型與方法XIAOXiaochun，LINGao，CHIShichunTheanalysismodelandmethodofthepile-soil-structuredynamicinteractionJWorldEarthquakeEnginee