动力荷载作用下高桩码头结构设计关键技术研究

陈枫 江苏兴宇传工程设计有限公司

1.引言

随着我国水利设施建设、港口码头的不断发展，目前结构的耐久性和安全性已经成为了一大亟待解决的问题。码头结构的结构形式主要包括高桩码头、板桩码头以及重力式码头等。其中，高桩码头指的是一种修建于软弱地基上的码头结构，其主要优点包括自重轻、结构简单等，这种码头的一种结构形式是混凝土高桩基础，根据地面与桩的倾斜角度的不同，可以将其划分为叉桩和直桩。混凝土叉桩作为一种受力构件，其主要作用是承担来自于水平侧向荷载与上部结构的力，由于其有着清晰的传力路径，当存在外部荷载时，即刻通过桩身逐渐传递到地基，从而尽量减少码头结构出现侧移变形的问题。

高桩码头在港口工程中较为常见，在高桩码头结构中，最关键的组成是桩基。在本文中，主要分析研究了在设计高桩码头桩基的过程中所出现的各种技术问题。

在服役的过程中，高桩码头结构不但能在正常的工作环境下承受活载、恒载等荷载的作用，同时还有可能遭受到爆炸、撞击及地震等作用。码头结构经常会受到靠泊船舶撞击力的作用，同时还包括船舶挤靠力、系缆力以及系泊船舶撞击力等。其中，当人为操作出现失误或者靠泊船舶由于惯性较大导致速度控制失调时，往往会产生大能量的船舶撞击作用。与板桩码头及重力式码头相比，高桩码头的水平抗侧刚度和水平承载力相对较小，当受到撞击力时通常会出现水平变形的问题，所以船舶撞击力通常会极大的影响高桩码头的性能。近年来，汕头港、天津港等港口也多次出现由于船舶撞击导致梁板断裂或基桩断裂的问题。

如何使高桩码头的稳定性和安全性得到稳定的提升，已经成为了工程界和科研界的一大研究热点，在这种背景下对动力荷载（如船舶撞击力等）进行研究具有一定的现实作用。

2.研究方法

图1 高桩码头动力荷载作用数值模型

ABAQUS作为一款通用的用于计算有限元的软件，其有着较为强大的功能，该软件中的A BAQUS/Explicit求解器模块能够通过动态的方式进行显式分析，通过该模块不但能够使准静态问题得到有效的解决，同时还能对各种复杂度较高的非线性动力学过程进行模拟，特别是一些瞬时的、短暂的动态过程，例如爆炸、冲击等。借助于有限元分析法，能够在短时间内进行参数化分析，并且还能了解当构件受到外力作用时的内力分布情况，从而为受力机制的研究奠定一定的基础。

在本文中，选择的研究对象为高桩码头所具有的叉桩结构，在综合考虑混凝土材料及钢筋的应变率效应的情况下，借助于有限元ABAQUS/Explicit求解器模块对水平冲击数值模型进行构建，并分别从求解方法、网格划分、单元类型、边界与接触条件、材料模型、几何模型等方面优化模型，从而使数值模型更加有效。本文选择的研究对象为高桩码头所具有的钢筋混凝土叉桩结构，研究分析在水平冲击背景下叉桩结构所做出的一系列的动力响应，由于桩顶是主要的冲击作用点，如果假定叉桩结构下端锚被固定，则可以暂不考虑桩土效应。

对冲击数值模型进行设计，可得图1，该图的(1～3)部分共同组成了待冲击试件模型。在该模型中：①代表的是轴压施加装置，为了使预应力筋得到相关的收缩应力，本文采用了降温法对其进行处理，当预应力筋不断收缩时将会使钢垫板逐渐向下产生一定的挤压力，从而使试件能够受到指定轴向荷载；②代表的是混凝土部分；③代表的是钢筋笼。

图2 冲击力时程曲线

图3 位移变化时程曲线

3.结果分析

3.1 冲击力结果分析

当受到冲击时，钢筋混凝土构件将会做出一系列的冲击力响应，按照一定的标准，可以将该响应过程划分为峰值上升段、平台发展段、卸载段这三个阶段。

当试件与冲击力相互接触时，将会产生一系列的冲击区域响应，在这种情况下冲击力将会快速的增长至峰值Fd,max，冲击体的速度在此时与试件相同，死后冲击体的速度将会小于试件速度，这两者之间的接触也会不断的减弱，当冲击力作用不断下降时，即可获得呈现出脉冲形状的冲击力曲线。

受限于试件的耗能能力及抗弯刚度，试件的动能将会逐渐转变为变形能，其运动速度也会不断的下降。在这种情况下，冲击体与试件之间的接触作用也会不断的加强，之后便会出现冲击体与试件的速度多次交换的现象，冲击力曲线的通常会呈现出振荡状，其数值通常在Fd,ave上下浮动，从而形成平台段，该阶段是试件的耗能和吸能阶段，耗时相对较长，从整体上来看主要表现是冲击体和试件共同运动。随着试件变形程度的不断加大，当其达到变形的最大值以后，冲击体所具有的动能便会不断的转变为试件变形能，当试件与冲击体的速度变为零时，试件将会释放出一部分变形能，从而使冲机体产生回弹作用，试件与冲击体之间的接触也会越来越弱，从而导致这两者相互分离，随着冲击力的不断下降，最终将会降低为零，所以会形成卸载段。

3.2 位移结果分析

对于试件而言，冲击位置处所产生的位移时程曲线详情可参考图3，当处于冲击试验阶段时，曲线将会出现一定的回弹，究其原因：轴压施加装置在受到了预应力螺杆所带来的张拉作用以后，将会引起结构位移在衰减的过程中呈现出阻尼振动的变化趋势从而逐渐趋向稳定，在确定获得冲击以后的实际残余变形值时，需要计算振动段的平均值。

3.3 主要结论

在对比实验实测结果和有限元时，需要分别从试件的动力时长曲线、破坏形态以及破坏过程等方面进行。同时，本文还基于水平冲击的背景，将冲击速度和结构倾角作为主要的参数，对钢筋混凝土叉桩所做出的一系列动力响应进行深入的讨论。结过分析以后，得到的结论有以下几点：

(1)当处于能量状态时，在所有的内容中，塑性应变能的占比约为70%～85%，桩体纵向钢筋和桩体混凝土将会吸收大部分的试件内能。当试件倾角不断增加时，由桩体钢筋和桩帽钢筋共同吸收的动能将会逐渐变为大部分被钢帽钢筋吸收。

(2)对于冲击力时程曲线而言，当系统结构倾角或者初始能量值不断增加时，冲击力所对应的时程曲线将会变成五阶段，并且将会出现一些次波峰段和分离段，其中，次波峰段将会呈现出“脉冲状”。当结构倾角和冲击速度不断增大时，将会导致峰值冲击力也不断增加，随着结构倾角的不断增加，平均冲击力也会逐渐减小。

(3)通过数值模拟的方式通常能够对试件冲击位置所产生的位移的最大值进行有效的模拟。当结构倾角和冲击速度不断增加时，试件在该位置处产生的位移的最大值也将会逐渐增加。

4.结语

在本文中，通过研究在设计高桩码头桩基时所产生的各种技术问题，选择泊船舶撞击力这一动力荷载为背景，探究了高桩码头受到泊船舶撞击力时所产生的各种关键技术问题，其中包括位移时程曲线以及冲击力时程曲线。对冲击荷载背景下高桩码头结构所做出的一系列的动力响应进行研究，具有一定的工程价值和现实意义，同时也能为后续工程的指导奠定一定的理论基础。