波流作用下大直径管桩码头动力响应分析

陆素娟

（广西八桂工程监理咨询有限公司，广西 南宁 530031）

0 引言

随着船舶大型化的推进以及水运业的发展，离岸深水大直径管桩码头凭借其工程造价低、泊稳条件好、海上施工方便等优点成为我国未来港口建设的趋势［1］。离岸深水大直径管桩码头多处于开敞海域的软土地基上，主要承受风、浪、流等动力荷载，受力性状较为复杂。

离岸深水大直径管桩码头一般为全直桩码头，大直径管桩一般采用预应力混凝土管桩或钢管桩，波流荷载是其重要的动力作用。张卫平采用不同桩基阻抗分析了离岸深水码头在规则和不规则波作用下的动力响应，指出桩土耦合作用对于桩柱响应有很大影响［2］；左殿军等采用ABAQUS有限元软件对全直桩基础在波浪和车辆双向循环荷载作用下的受力特性进行了分析，指出在竖向和水平双向循环荷载作用会导致桩基内力的重分布［3］；王朝阳在对波浪力和船舶撞击力作用下全直桩码头的动力响应进行了数值模拟，建立了动力简化计算方法，认为全直桩码头的动力响应类似于单自由度系统［4］。

以上文献对于波浪荷载的计算多采用微幅波理论，未考虑微幅波理论在实际外海环境中的适用性，此外海上波浪传播过程中往往伴随着海流，波浪水流的共同作用不容忽视。因此有必要对波流作用下开敞海域的大直径管桩码头动力特性进行深入研究。

本文结合某离岸深水大直径管桩码头，通过ANSYS平台建立码头排架有限元模型，采用基于p－y曲线的非线性Winkler地基梁法模拟桩土相互作用，研究波流联合作用下大直径管桩码头的动力特性。

1 模型介绍

1.1 工程原型

本文所研究的工程原型来源于某离岸深水码头，该码头采用全直桩梁板式结构，上部结构为钢筋混凝土，下部基桩采用大直径钢管桩。码头排架间距为15m，每榀排架下设四根壁厚22mm、直径1 800mm的Q345钢管桩，基桩中心间距11.5m，混凝土强度为C40，钢管桩和混凝土材料参数见表1。钢管桩入土深度为45m，泥面以上长度为35m，工程所在地地质条件见表2。设计波浪重现期为50年一遇，波浪要素见表3，相应重现期下的水流流速值见表4。

表1 钢管桩及混凝土主要材料参数表

表2 地质条件参数表

表3 设计波浪要素表

表4 海流流速表

1.2 波流荷载的计算

对于静止于水的中小直径圆柱体所受波浪荷载计算一般采用Morison方程［5］，任意高度Z处单位柱高所受水平波浪力为：

式中：P——作用在柱体全断面上的水平波浪力；

PD——水平拖曳力（kN／m）；

Pl——水平惯性力（m）；

D ——柱体直径（m）；

CD——拖曳力系数，取1.2；

CM——惯性力系数，取2.0；

A——柱体断面面积（m2）；

ρ——水的密度（kg／m3）；

u——水质点轨道运动的水平速度（m／s）；

t——时间（s）。

其中水质点速度和加速度的计算依赖所选取的波浪理论，我国《港口与航道水文规范》［6］推荐采用微幅波理论。实际上外海波浪波面振幅大，波动的自由水面非线性影响不可忽略，微幅波理论并不完全适用，而斯托克斯五阶波可以考虑自由液面的非线性特点，对于深水区波浪较为适用，因此本文采用斯托克斯五阶波理论［7］［8］。

波浪传播过程中往往伴随着水流，海流速度相对于波浪水质点来说随时间变化较为缓慢，可认为是定常水流，对于柱体的作用仅为拖曳力［9］，对于直立柱体，单位柱高上的拖曳力矢量为：

式中：PD′——波流联合作用下的拖曳力；

本案例中考虑当海流与波浪传播方向同向，沿X正向传播。

1.3 波流作用下码头排架有限元模型

选取一榀排架作为研究对象，通过ANSYS有限元软件建立排架有限元模型如图1所示。码头上部结构采用SOILD45单元；泥面以上钢管桩采用可模拟水动力效应的PIPE59单元；泥面以下钢管桩采用PIPE20单元。采用COMBIE39非线性弹簧单元模拟桩周土体对桩的约束作用，COMBINE39的荷载位移关系曲线通过获取土层的p－y曲线来定义，桩土相互作用简化为非线性Winkler地基梁弹簧模型，如图2所示。其中p－y曲线的选取采用API规范推荐曲线［10］。定义X正方向与岸线方向垂直，假设波流入射方向同向，均沿X正方向传播，码头桩基从左到右依次编号为1＃～4＃。

2 结构动力响应分析

2.1 自振频率

对于本文研究的码头排架结构，其结构阻尼比设为0.03［11］，通过结构自由振动分析可以得到前六阶自振频率及相应的周期如表5所示。可以看到一阶振型对应的自振周期接近于2s，与设计波浪荷载周期相差较大，产生共振的可能性较小，然而对于船舶撞击荷载等短周期荷载则需要引起注意。

图1 码头排架有限元模型示意图

图2 非线性Winkler地基梁模型示意图

表5 自振频率分析结果表

2.2 桩土相互作用的影响

《港口工程桩基规范》（JTS167－4－2012）中规定可以采用假想嵌固点法计算水平受荷桩［12］，该法简化处理了桩土相互作用。为了研究桩土相互作用对码头在波流荷载作用下的响应的影响，本文分别考虑嵌固点模型和Winkler非线性地基梁模型（桩土相互作用模型）两种情况下排架结构的响应，通过ANSYS瞬态响应模块计算结构动力响应。

计算得到1＃桩泥面位移时程曲线如图3所示。由图3可知，两种模型下泥面位移时程变化趋势大致相同，位移峰值点出现在大约1s左右，此时瞬态振动明显，约12s后，瞬态振动衰减为零，结构进入稳态反应。一般对于作用时间极短的爆炸或者冲击荷载瞬态反应不能忽略［13］，而对处于外海长期波浪和水流条件下的深水大直径管桩码头，则应当主要考虑其在外荷载作用下的稳态反应。

结构达到稳态振动时，嵌固点模型泥面峰值位移为0.016m，桩土相互作用模型泥面峰值位移为0.043m，增加了152%，由此可见，采用嵌固点模型进行分析将会低估波流荷载对结构的作用效果，所以本文在后续的分析中均采用桩土相互作用模型。

图3 不同计算模型下1＃桩泥面节点位移时程曲线对比图

2.3 不同波浪周期的影响

本文设计波浪周期为11.8s，考虑到实际复杂的海洋环境，将会出现各种不同周期的波浪组合，随着波浪周期的变化，桩与波浪之间的作用不同，计算波浪荷载时采取不同的波浪理论结果可能会产生较大的差别。本文选取波浪周期从8s（当周期＜8s时，波浪形态接近破碎，不符合实际）到18s，每隔2s共取6种周期工况，分别采用微幅波理论和斯托克斯五阶波理论计算1＃桩泥面稳态反应时峰值位移，结果如图4所示。

当其他设计参数一定时，波浪周期增长，波流荷载与桩基泥面位移增大，采用微幅波理论计算时位移增幅较小，而采用斯托克斯五阶波理论计算时位移增幅较大。从整体来看，微幅波理论较斯托克斯五阶波理论计算结果偏小，且周期越长两者差别越大。根据本文研究的不同波浪参数结合兰艳蓉［7］对波浪理论适用条件的分析，采用斯托克斯五阶波计算波流荷载更为合理，因此按照港口与航道水文规范（JTS145－2015）［6］建议采用微幅波理论计算时将会低估波流荷载对结构的作用，尤其对长周期波应当慎重考虑。

图4 不同波浪周期下对应的峰值位移对比图

3 结语

（1）本案例中全直桩码头排架结构自振周期接近2s，在船舶撞击荷载等短周期荷载中可能产生共振；

（2）嵌固点模型的计算结果将会低估荷载对结构的作用，建议工程中尽量采用桩土相互作用模型计算；

（3）在本文设计参数下，随着波浪周期增长，波流荷载增大，长周期波对结构的破坏作用更强。外海波浪振幅较大，采用微幅波理论计算波流荷载可能会低估其对结构的作用，建议基于斯托克斯五阶波计算外海波流荷载。