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摘要：高桩码头在应用过程中需要计算地震动力反应，本文通过建立实际案例的模型，使用有限元法计算了叉桩布置对其的影响，并根据高桩码头的不同结构特点分析了叉桩的作用机理，提出了一系列对于叉桩布置的建议，经过合理科学的高桩码头中叉桩布置，可以大幅度提高高桩码头的抗震能力，对于相关领域科研工作者和同行业工作人员具有十分重要的参考意义。
关键词：叉桩布置；高桩码头；地震动力反应
1 引言
桩式码头体系是一种通用的码头结构形式，适用于软土地基，具有材料消耗小、装配范围大、施工速度快的特点，目前在我国得到了广泛的应用。我国是一个地震多发的国家，许多港口和河港码头处于地震带，大量的地震破坏数据表明，高桩码头在地震震动中极易破坏。因此，研究高桩码头系统在地震作用下的响应特性是非常必要和迫切的。本文采用有限元方法对高桩码头的地震响应进行了研究。所得认识对类似码头结构的抗震设计具有一定的参考价值。
2. 高桩码头数值模型
案例码头承台结构总长约600米，宽度12米，承台通过4座引桥与陆域连接，引桥宽度10米。码头承台呈“L”形布置，码头承台及引桥均为高桩梁板式结构。码头主要功能是供港口支持系统工作船和执法船舶停靠，工程交付使用后，可为海事巡逻、边检、边防等工作船舶提供7个停靠泊位。案例采用简化的平面应变状态数值模型，如图1所示。码头板的长度在26米的例子中，和它的宽度是0.4米，其杨氏模量是3.3×1011 pa，泊松比为0.15，和它的密度2500 kg / m3。桩序号P1~P6由左至右，桩间距4.4m。各桩长25.25m，桩径0.55m，桩身杨氏模量、泊松比、密度与码头板相同。各层土壤性质如表1所示。
高桩码头计算应分别按持久状况、短暂状况、偶然状况三种设计状况，并按不同的极限状态和效应组合进行计算和验算。按承载能力极限状态设计时的计算内容：结构的整体稳定、岸坡稳定和挡土结构稳定等；构件的强度；桩、柱的压屈稳定等；桩的承载力等。按正常使用极限状态设计时的计算内容：砼构件抗裂、限裂；梁的挠度；柔性靠船桩水平变位；装卸机械作业引起的结构振动。上部结构的计算：面板、纵梁（门机梁等）、横梁和靠船构件。横梁与基桩一起构成横向排架，横梁的内力通过横向排架的计算求得。可按弹性薄板小扰度理论以静力分析法进行数值计算，也可按面板的支承情况分为单向板和双向板按简支法计算。计算时应根据实际的结构型式（如空心板）、板的尺寸及其周边支承情况和板间连接情况等因素来合理选择计算图式。
在确定板的计算跨度时，应考虑支座对板的影响，计算跨度分弯矩计算跨和剪力计算跨。
⑴弯矩计算跨度：①简支板：l＝l0＋h且≯l0＋e
式中：l0——净跨
②连续板：B1≤0.1lc时，l＝lc（不考虑支座宽度影响），
式中：lc——中心线
B1＞0.1lc时，l＝1.1lc（考虑支座宽度影响）
⑵剪力计算跨度：l＝l0
无论是简支板还是连续板，均取净跨。
集中荷载的接触宽度和传递宽度：设集中荷载的接触宽度为a2×b2，垫层厚度为hs，则：1、传递宽度（传递到面板上的传递宽）
⑴单轮作用时
①顺板跨方向：a1＝a2＋2hs
②横板跨方向：b1＝b2＋2hs。
⑵多轮作用时，且轮距较小，传递范围相互重叠：
①顺板跨方向： a1＝a2＋2hs＋Y；
②横板跨方向：b1＝b2＋2hs＋X。
Y、X——分别为顺板跨和垂直板跨方向的最外两轮的中心距。
⑶多轮作用不重叠时：按单轮情况计算。
考虑数值模型的边界条件，模型底部完全固定，模型两侧均为法向固定。为准确模拟桩土相互作用，在桩土之间设置了桩土界面相对滑动和脱离的接触副。采用莫尔-库仑本构关系，采用线性弹性本构关系对码头板和群桩进行本构分析。本文假设土与结构的阻尼比为0.1。整个模型采用四节点平面应变单元，单元数为1324，节点数为1574。
在进行地震响应分析之前，首先通过有限元软件的重启功能完成码头系统的自重平衡，然后在此基础上对码头结构在地震作用下的动力响应进行分析。水平地震荷载计算，只是考虑到与输入地震波前20年代EI-centro波和罗玛波和塔夫特波。根据8的抗震设防烈度，分析了高桩码头系统在频繁地震作用下的动力响应。
土层在三种地震波作用下都有一定的反射作用，特别是在洛玛波作用下反射作用更为明显。Loma波包含更多的低频分量，其次是Taft波，第三是EI-centro波。综合考虑，洛马波浪对高桩码头系统的影响明显更大。码头板中极左点水平位移和加速度随时间变化。可以发现该点水平位移峰值分别为-2.33cm、-5.58cm、-2.57cm；其水平加速度峰值分别为-0.89m/s2、1.35m/s2和-1.05m/s2。可见，其地震响应在洛玛波作用下达到峰值。与前面的傅里叶频谱分析结果一致。可以看出，三种地震作用下，群桩水平位移极值的变化趋势是相同的，且这些值沿桩身方向逐渐增大。桩的加速度响应与其他桩的加速度响应有明显的不同，基本上是先增大后减小，在桩的-15m处达到最大值。桩的加速度基本相同，沿桩向逐渐增大，在桩帽处达到最大。桩帽剪力的变化趋势是一致的，不受地震波类型的影响。由于桩帽相互约束较强，刚度较大的桩帽剪力明显大于其他部位的桩帽剪力。
3 计算结果分析
在同一场地震中，三个码头的承台最大水平位移由大到小依次为全直桩高桩码头、霍华德高桩码头、第七街高桩码头；承台水平残余位移由大到小依次为全直桩高桩码头、第七街高桩码头、霍华德高桩码头；码头结构刚度由大到小依次为第七街高桩码头、全直桩高桩码头、霍华德高桩码头；支承霍华德高桩码头后轨道梁的叉桩水平最大位移和残余位移最小，其叉桩刚度相对较小。表明：全直桩码头结构柔度大、延性好，可通过大变形吸收地震能量，抗震性能好；叉桩置于码头承台上，可提高码头结构的刚度，使之易于破坏；叉桩置于全直桩码头后方，可阻挡部分地震波的传播，吸收地震能量，降低全直桩码头结构的刚度，减小码头桩周土的弱化程度，降低叉桩的水平位移和刚度，提高了全直桩码头结构的抗震性能。
建立高桩码头系统数值分析模型，进行水平地震荷载作用下的时程分析，得到以下结论：
（1）桩的水平位移极值随着桩的增大而逐渐增大。其中，边坡前侧桩相对于其他桩的相对位移较大，其他桩的位移差异不是很明显。
（2）边坡后侧桩水平加速度极值先增大后减小。其他桩沿桩身逐渐增大，基本相同。
（3）群帽剪力极值明显高于其他位置。除桩帽的作用范围外，各桩的剪力差别不大。
（4）边坡后侧桩弯矩极值先增大后减小后增大。其他桩的弯矩随桩高而增大，桩帽弯矩明显高于其他桩位。通过对各桩的对比，可以看出桩帽弯矩峰值不在侧桩上。
因此，应对所有桩体进行综合研究。
4 结束语
为了研究高桩码头系统在地震作用下的行为，采用Newmark的时间积分算法进行了数值分析。在计算模型中，考虑了地基的非线性和桩土界面之间的接触行为。数值结果表明，在水平地震作用下，各桩的水平位移极值随桩高的增大而增大。特别是岸坡码头系统侧桩的水平位移明显大于其他桩。侧桩水平加速度和弯矩极值变化具有非单调性。根据计算结果和理论分析，得出若干结论，可为相关工程实践和设计提供一定的参考价值。经过合理布置的叉桩可以对高桩码头进行抗震处理，为码头增加安全性。
参考文献：
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[5]李颖. 高桩码头抗震性能计算分析[D].大连理工大学，2011.
论文作者:陈跃宏
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/1
标签：码头论文; 位移论文; 结构论文; 水平论文; 弯矩论文; 极值论文; 剪力论文; 《防护工程》2018年第35期论文;