水平地震作用下高桩码头结构响应谱分析

陶桂兰，王定

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.湖南省交通规划勘察设计院，湖南 长沙 410008）

从中国1976年唐山地震中发现，高桩码头容易遭受地震破坏[1-3]。随着我国近几年的地震活动进入新的活跃期，对高桩码头进行有效的抗震设防仍然是当前我国防震减灾的关键性工作。根据我国交通部颁布的JTJ 225—98《水运工程抗震设计规范》要求，对于抗震设防烈度为7度及以上的地区，需对码头结构进行抗震设计，其水平地震力将是高桩码头桩基布置的重要因素。寻求在水平地震力作用下高桩码头桩基布置方案，对工程设计具有重要的指导意义。本文以湛江某高桩码头标准结构段桩基布置为例，采用ANSYS软件对码头结构进行反应谱分析，重点探讨码头结构在水平地震作用下（码头纵向和码头横向）码头结构桩基受力状态，在此基础上提出在抗震条件下码头桩基布置建议。

1 地震反应分析的振型分解反应谱法

本文采用振型分解反应谱法进行结构地震响应分析。振型分解反应谱法是在振型分解法和反应谱法基础上发展起来的一种计算多自由度体系地震作用的方法[4-7]。该方法利用振型分解法，将多自由度体系分解成若干个单自由度体系的组合，然后应用单自由度体系的反应谱理论来计算各振型的地震作用，再将各个独立解进行组合叠加，得出总的反应，是抗震规范中推荐的方法[8]。

用反应谱法求解多自由度系统在地震荷载下的响应时，一般可先求出各振型的地震荷载，然后按静力法求得结构的其它动力响应，经组合后求得结构总响应。水平地震作用可用各质点所受惯性力来代表，质点j上的水平地震作用为：

式中：Fji为i振型j质点的水平地震作用；βi为相应于i振型的动力放大系数；K为地震系数；δji为i振型j质点的振型位移；ηi为i振型的参与系数；wj为集中于j质点的重力荷载标准值。

由式（1），结合抗震设计规范给出的设计反应谱（β谱），可求得对应于某一振型各质点的最大水平地震作用，再按一般的结构力学原理，把地震作用视为静力荷载，可求得对应于各振型的地震作用效应Sj（弯矩、剪力、轴力、位移等）。考虑到结构振动时，相应于各振型的最大地震作用效应一般不会同时发生，我国现行的抗震设计规范规定，结构的地震作用效应（弯矩、剪力、轴力和变形）按“平方和开方”公式（SRSS法）计算，即

式中：SEk为水平地震作用标准值效应；Sj为j振型水平地震作用标准值的效应，可只取前2～3阶振型。

2 动力分析计算模型

2.1 工程背景

本文研究对象采用湛江某高桩码头标准结构段，结构段长67.8 m，宽41.2 m，面板厚0.6 m，码头面高程7.0 m，码头前沿底高程-17.4 m（当地理论最低潮面），以上回填块石，坡度为1∶1.8。港池底至高程-32.33 m为黏土层，桩端持力层为中粗砾砂。PHC直桩外径1 200 mm，壁厚150 mm，桩底高程-38.0 m；钢管叉桩（倾斜度10∶1，3.5∶1）外径1 400 mm，厚16 mm，桩底高程-42.0 m。横梁截面尺寸2.4 m×1.2 m，轨道梁3.1 m×1.2 m，中纵梁2.1 m×0.8 m，前边梁1.8 m×0.5 m，后边梁2.1 m×0.5 m。结构段桩位图如图1。

图1 码头结构段桩位图

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 计算参数

本文选取高桩码头前方桩台一个结构段，采用空间计算模型，利用大型通用有限元软件ANSYS模拟水平地震作用下的结构反应。码头钢筋混凝土结构和钢管桩采用线弹性本构模型，各部分结构质量密度、弹性模量和泊松比见表1。

表1 材料物理参数表

模型的整体坐标为笛卡尔坐标，原点取在高桩码头结构段的后边梁左端下方高程为零处，X轴平行于码头纵梁，Y轴为垂直码头面方向向上，Z轴平行于码头横梁，指向临水侧。

2.2.2 边界条件及计算单元

原型结构段较复杂，本模型选取高桩码头前方桩台的一个标准结构段作为研究对象，并对其边界条件进行一定的简化。

1） 实际工程中码头前方桩台和码头接岸结构采用简支板搭接，前方桩台结构段之间设置结构缝，有限元模型不考虑高桩结构段之间的相互作用，也不考虑高桩结构段与接岸结构的相互作用。

2）钢管桩和PHC桩桩顶与纵横梁及面板固结，桩端采用弹性嵌固点法考虑，弹性长桩的受弯嵌固点深度采用m法计算。各排桩嵌固点深度根据边坡的回填情况计算得出不同的嵌固点深度。

黏土层取m值为5 000 kN/m4，求得第一排桩嵌固点至泥面的距离t为5.8～6.6 m。

码头纵横梁、钢管桩及PHC桩用梁单元beam188模拟，面板用壳单元shell43模拟；纵横梁通过截面偏置模拟梁和面板的实际相对位置；土对桩的垂直约束由桩轴向的弹簧单元combin43模拟。

2.2.3 地震反应谱的选取

码头所在区域的地震设防烈度为7度，根据本工程土层地质情况，场地类别为Ⅲ类场地。结构常阻尼比取为η=0.05，水平地震系数0.1，采用JTJ 225—98《水运工程抗震设计规范》的β谱曲线进行水平地震响应分析。

3 水平力作用下结构地震反应分析

本文采用单点加速度响应谱，分别从纵梁方向、横梁方向对高桩码头结构段进行地震动激励，得到结构段的桩轴力、桩顶弯矩及扭矩等成果，见图2～图4。图中，A～H为图1（a）中码头后方至前沿桩的排列次序，A、B、G、H为叉桩，C、D、E、F为直桩，排架1～8为图1（b）中从左至右的顺序。

图2 地震作用下桩底轴向反力

1） 桩轴力。横向水平地震作用下，单个排架中，后叉桩A、B及前叉桩G、H轴力均较大，中间直桩桩力较小，最大桩力为5 99 kN，为后叉桩B号桩；最小桩力为22.9 kN，为D桩。沿码头纵向各排架，两端排架各桩受力略大于中间排架，沿码头纵向对应桩号桩力变化不大。纵向水平地震作用下，单个排架中，后叉桩A、B及前叉桩G、H轴力均较大，中间直桩桩力较小，最大桩力为477.3 kN，为中间排架4及5的前叉桩G号桩；最小桩力为6.9 kN，为中间排架E桩。

图3 地震作用下桩顶弯矩

图4 地震作用下桩顶扭矩

2） 桩顶弯矩。横向水平地震作用下，单个排架中，后排桩桩顶弯矩大于前排桩的弯矩，沿码头纵向对应桩号桩顶弯矩变化不大；纵向水平地震作用下，单个排架中，后叉桩A、B及前叉桩G、H的桩顶弯矩均较大，中间直桩桩顶弯矩略小，两端排架桩顶弯矩大于中间排架对应桩号的弯矩。纵向水平地震作用下各桩桩顶弯矩大于横向水平地震作用下各桩桩顶弯矩。

3） 桩顶扭矩。横向水平地震作用下各桩桩顶扭矩较小，纵向水平地震作用下各桩的桩顶扭矩较大，沿码头纵向各排架，纵向对应桩号变化不大。最大桩顶扭矩发生在后排叉桩桩顶。

4） 结构响应最大值。由表2可看出纵向水平地震作用下结构的整体位移、桩弯矩和剪力都最大。对于高桩码头结构段，在水平地震荷载作用下（不计船舶荷载等其他水平向荷载），纵向水平地震作用结构最为不利。

表2 结构响应最大值汇总表

4 结语

本文以湛江某高桩码头结构段建立有限元模型，采用反应谱法对水平地震作用横向、纵向输入进行了地震动力响应分析，对不同地震方向作用下码头桩基内力变化进行分析，得出了一些有意义的结论。

1） 计算结果表明，无论是横向水平地震作用，还是纵向水平地震作用，叉桩的轴力均较大，直桩轴力较小，对单个排架，后方叉桩的轴力要大于码头前方叉桩的轴力。纵向水平地震作用下叉桩桩顶弯矩明显大于横向水平地震作用下的桩顶弯矩，该情况下直桩桩顶弯矩也较大。码头抗震设计中应考虑到水平地震作用对叉桩内力的不利影响。

2） 该码头桩基布置对横轴对称而对纵轴不对称，在纵向水平地震作用下桩的扭矩较大，单排架中后排叉桩扭矩相对较大，而横向水平地震作用下桩的扭矩很小，接近于零。桩扭矩将加大梁板结构对桩顶截面的剪切作用，易使桩顶节点损坏，设计中应加以注意，为减少水平扭转对结构的不利影响，可尽量采用桩基相对于纵、横轴均对称的布置形式。

3） 在水平地震荷载作用下（不计船舶荷载等其他水平向荷载），纵向水平地震作用结构最为不利。因此在码头抗震设计中，应重视码头的桩基布置形式及码头的纵向刚度设计。

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