高桩码头叉桩布置形式抗震性能分析

陶桂兰,陈 祥,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)

1 叉桩的布置形式

高桩码头叉桩布置时,为避免与前后直桩碰桩,叉桩通常会偏转1个角度;此外,高桩码头所承受的水平荷载并不一定是沿横向的(如系缆力和水平地震荷载等),工程上往往要求叉桩还能在一定程度上抵抗其他方向的水平力[6-8],即需设置一定的扭角。桩基中不同位置叉桩的不同扭角方向便形成不同的叉桩布置形式。

1.1 非对称布置

叉桩非对称布置的码头结构段的叉桩扭角方向一致,叉桩水平投影相互平行,桩基布置沿纵、横两个方向都不对称,如图1(a)。该布置形式的主要优点是施工方便,扭角方向一致,打桩设备不需调整角度便可施打;不易发生碰桩,所有叉桩的水平投影都是平行的,只要前后叉桩水平投影不在同一条直线上就不会发生碰桩。不足之处是当承受垂直于叉桩扭角方向的水平地震荷载时,叉桩不能起到抵抗水平力的作用,不适合建于有较高抗震设防烈度要求的地区。

1.2 单轴对称布置

单轴对称又可分为横轴对称和纵轴对称。横轴对称布置是指码头结构段的叉桩扭角方向关于横向中心线是对称的,纵轴对称布置是指码头结构段的叉桩扭角方向关于纵向中心线是对称的,如图1(b),(c)所示。横轴对称桩基的主要优点是承受横向水平荷载时,高桩码头结构段不会发生扭转,受力均匀;除中间两排架叉桩需调整扭角和倾角外,其他叉桩一般都不会碰桩。缺点是在纵向水平荷载作用下结构段会产生扭转;需调整中间两排架下的叉桩扭角和倾角,避免碰桩。纵轴对称桩基的主要优点是承受纵向水平荷载时,高桩码头结构段不会发生扭转,受力均匀,施工较横轴对称桩基布置方便;其缺点是在桩较长时容易碰桩,在横向水平荷载作用下结构段会产生扭转。

1.3 双轴对称布置

双轴对称布置形式如图1(d)所示,码头结构段的叉桩扭角关于纵、横向中心线均对称布置。桩基左端后叉桩和右端前叉桩的扭角为横向顺时针偏转,桩基右端后叉桩和左端前叉桩的扭角为横向逆时针偏转。这种布置形式的主要优点是承受纵、横向水平荷载时,高桩码头结构段受力均匀,适合有较高抗震设防要求的地区。缺点是容易碰桩,为避免碰桩需调小叉桩的倾角,从而减小了叉桩抵抗水平力的能力;或调整前后叉桩的扭角,而使得叉桩沿纵、横向并非完全对称。

2 4种叉桩布置形式的结构抗震性能比较

叉桩是高桩码头主要的侧向受力构件,不同的叉桩布置形式其抗震性能是不同的,为进一步了解叉桩布置形式对其抗震性能的影响,对以上4种叉桩布置形式进行了动力有限元分析,分别模拟其在纵、横2个方向水平地震作用下结构的动力响应。

2.1 地震反应分析方法

采用振型分解反应谱法[9-13]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1种计算多自由度体系地震作用的方法。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[4]。

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他动力响应,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

综上所述，森林资源作为我国重要的资源之一，为我国经济的发展与社会的进步发挥着重要的作用。因此，我国要给予森林资源高度的重视，针对当前森林资源面临的严峻的趋势，制定合理的资源管理方案，加强对森林资源的全面管理，保护我国现有的宝贵资源。此外，在进行森林资源的开发利用过程当中，要坚持可持续发展的战略目标，坚持经济效益与生态效益相互协调发展的策略，进而实现对森林资源的合理开发利用。

式中：Fjimax——i振型j质点上的最大水平地震作用;mj——j质点的质量;ηi——i振型的参与系数;δji——i振型j质点的振型位移;Aaimax——系统在i振型中的最大绝对加速度,——地基水平运动最大加速度;βi——i阶振型的动力放大系数;K——地震系数;wj——集中于j质点的重力荷载标准值。

图1 4种叉桩布置形式(单位：mm)Fig.1 Four types of forKpile arrangements(units：mm)

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[4],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

2.2 计算模型

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

2.2.1 工程概况

计算模型采用湛江某高桩码头的标准结构段,结构段长67.8 m,宽41.2 m,面板厚0.6m,码头面高程7.0m,设计码头前沿底高程-17.4m(当地理论最低潮面),PHC直桩外径1200mm,壁厚150mm,底高程-38.0m;钢管叉桩(倾斜度10∶1,3.5∶1),外径1400mm,厚16mm,底高程-42.0m。横梁截面尺寸2.4m×1.2m,轨道梁3.1m×1.2m,中纵梁2.1m×0.8m,前边梁1.8m×0.5m,后边梁2.1m×0.5m。

2.2.2 有限元模型的建立

a.计算参数。选取高桩码头前方桩台1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响应[14]。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。

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。

表1 材料物理参数Table1 Material physical parameters

b.计算单元及边界条件。码头纵横梁、钢管桩及PHC桩采用梁单元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,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,土对桩的垂直约束由桩轴向的弹簧单元combin43模拟,弹性长桩的受弯嵌固点深度用m法计算。

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,采用文献[4]推荐的 β谱曲线进行水平地震响应分析。

2.3 计算结果分析

2.3.1 结构模态分析

通常情况下,地震引起的系统内力前几阶振型的影响比较大。因此,在结构抗震计算中,只需取前面几个振型就可以满足实际工程的需要。笔者采用分块兰索斯(blocKlanczos)法对不同桩基布置的码头结构进行模态分析[14],桩基布置如图1所示,其扭角大小均为20°。其前4阶模态的固有频率及各方向振型参与系数见表2。

表2 前4阶振型频率及各方向振型参与系数Table2 Previous four modal frequencies and participation factors

2.3.2 结构内力及位移分析

对上述4种叉桩布置形式的码头结构,在纵、横2个方向进行水平地震激励,得到结构段位移和桩内力的最大值(表3～表4)。

表3 结构内力响应最大值Table3 Maximum response of structural internal force

表4 结构位移响应最大值Table4 Maximum responseof structural displacement

从表3～表4可以看出,纵向地震作用下,桩基为横轴对称布置时,结构总位移最大,相应的纵向位移也最大;桩基为非对称布置时,桩弯矩及桩剪力均较大。横向地震作用下,桩基为纵轴对称布置时,结构总位移最大,其桩轴力、扭矩、弯矩、及剪力也均最大;在不同方向的水平地震作用下,双轴对称布置形式结构段的扭矩、合成弯矩及合成剪力均较小。由此可见,在叉桩不碰桩的情况下,双轴对称桩基布置形式是最优的,尤其是在较高地震设防要求的地区,地震荷载方向的随机性要求高桩码头在各个方向都能抵抗水平地震作用,而双轴对称桩基布置形式的结构响应比其他形式相对较小。

相对于非对称布置形式,在横向水平地震作用时,横轴对称桩基布置形式结构位移和桩内力均较小。可见,在横向水平荷载为主的情况下,横轴对称桩基布置形式相比非对称布置形式更合理。

3 结 论

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,对高桩码头叉桩不同布置形式结构内力特性进行分析,得出以下几点结论：

a.在不同方向的水平地震作用下,叉桩非对称布置形式结构段的桩内力均较大,因此,在高桩码头抗震设计中应尽量避免采用该种形式。

b.桩基横轴对称布置时,结构的纵向刚度较小,在纵向地震作用下,结构整体位移最大,但这种布置形式在横向水平地震作用时,整体最大位移和桩内力均较小,因此当结构主要承受横向水平荷载时,可优先考虑采用桩基横轴对称布置。

c.在有较高地震设防要求的地区,由于地震荷载方向的随机性,要求高桩码头在各个方向都能抵抗水平地震作用,而双轴对称布置形式的结构响应比其他形式相对较小,在叉桩不会碰桩的情况下,采用桩基双轴对称布置形式较为合理。

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