重力式碼頭地震反應(yīng)分析研究現(xiàn)狀①

叢佩文等

摘 要：過去經(jīng)驗(yàn)表明，碼頭在地震發(fā)生時(shí)是極易破壞的。該文概述了重力式碼頭地震反應(yīng)分析的理論研究?jī)r(jià)值及工程意義。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，該文綜合闡述了目前數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和方法，并認(rèn)為有限元的數(shù)值模擬可以更有效的對(duì)重力式碼頭抗震進(jìn)行研究?？偨Y(jié)分析了室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬、有限元和離散元的利弊與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭 地震 數(shù)值模擬 有限元

中圖分類號(hào)：TU435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（b）-0065-01

碼頭是國(guó)內(nèi)外交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，并且在國(guó)家經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用。它為船舶提供停靠、裝卸貨物和上下旅客等作用，是港口的主要組成部分[1]。在許多國(guó)家，相比于其它貿(mào)易運(yùn)輸模式，如陸運(yùn)和空運(yùn)，貨物通過碼頭的貿(mào)易在總量中占主體地位；在這些國(guó)家中，港口往往是區(qū)域經(jīng)濟(jì)中心和物流中心。正因?yàn)槿绱?，那些由于地震這種自然災(zāi)害造成碼頭停運(yùn)的經(jīng)濟(jì)損失是極其巨大的。

現(xiàn)今人們普遍承認(rèn)，港口設(shè)施應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)抗震，以保證在強(qiáng)震中的穩(wěn)定性。在過去幾十年，人們努力去開發(fā)合理的方法和規(guī)范去來分析設(shè)計(jì)碼頭，許多降低地震風(fēng)險(xiǎn)的措施也已落實(shí)。特別是子1995年兵庫縣南部的阪神地震，人們研究各種案例并利用振動(dòng)臺(tái)、數(shù)值軟件進(jìn)行模擬，并對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震改造。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)中期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來越重視港口結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，地震工程的技術(shù)也隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展而獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。特別是日本阪神大地震后，涌出一大批國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究港口抗震問題，在最初對(duì)日本神戶重力式沉箱碼頭進(jìn)行了數(shù)值分析，得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合；我國(guó)學(xué)者在這方面也做出了杰出的貢獻(xiàn)，河海大學(xué)劉漢龍教授以應(yīng)變空間的多重剪切機(jī)構(gòu)塑形模型為本構(gòu)關(guān)系，對(duì)神戶港沉箱式碼頭進(jìn)行了非線性動(dòng)力有效應(yīng)力分析，其得到的結(jié)果與地震后實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。劍橋大學(xué)Madabhushi和Zeng通過離心機(jī)試驗(yàn)對(duì)重力式碼頭擋土墻模型進(jìn)行了三個(gè)動(dòng)力離心機(jī)試驗(yàn)（包括兩種飽和土體和一個(gè)干土體），并將得到的結(jié)果用于研究重力式碼頭擋土墻地震機(jī)理。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)方云教授根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)了重力式碼頭的地基模型，進(jìn)行了一系列的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了地震液化條件下重力式碼頭的變形破壞機(jī)理，并提供重力式擋土墻的改進(jìn)設(shè)計(jì)。大連大學(xué)王桂萱教授探討了應(yīng)用離散元分析方法求解地震荷載下沉箱和背后填土大變形問題的可能性，開發(fā)了能描述沉箱的平面形狀及沉箱與土體摩擦特性的矩形單元。并通過簡(jiǎn)單實(shí)例分析了地震時(shí)沉箱碼頭的變形，再現(xiàn)了沉箱碼頭地震災(zāi)害的發(fā)生過程，為沉箱在地震情況下的大變形分析提供了一種新途徑。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

地基模型是根據(jù)相似原理按照神戶港重力式碼頭的實(shí)際地質(zhì)剖面縮小比例尺設(shè)計(jì)的，幾何模擬系數(shù)為116。試驗(yàn)盒采用透明的有機(jī)玻璃板制成，尺寸為長(zhǎng)200cm、寬40cm、高60cm。在整個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)過程中可以清晰地觀察到地基變形的全過程。采用一個(gè)裝滿密實(shí)飽和砂土的木盒來模擬重力式擋土墻，墻后和墻底鋪設(shè)有礫石濾層和疏松的砂層，地基中裝置了許多不同類型的傳感器。為了測(cè)定振動(dòng)液化過程中擋土墻后土壓力的變化情況，在有些試驗(yàn)中還在擋土墻背安裝了土壓力傳感器。

試驗(yàn)結(jié)果表明：基底土的強(qiáng)度降低和局部液化是擋土墻變形破壞的主導(dǎo)因素。墻后動(dòng)土壓力的增加為擋土墻的運(yùn)動(dòng)提供了條件。在液化條件下重力墩式碼頭地基的運(yùn)動(dòng)以側(cè)向位移為主，重力作用是地基側(cè)向運(yùn)動(dòng)的主要影響因素。減少作用于擋土墻的動(dòng)土壓力和充分填實(shí)基底下的砂土是增加重力墩式碼頭抗震穩(wěn)定性的重要措施。

3 數(shù)值分析

數(shù)值分析方法可以歸納為兩類：（1）連續(xù)介質(zhì)分析方法，包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、無單元法（Meshless Method）、擴(kuò)展有限元法（XFEM）和比例邊界有限元法（SBFEM）等。（2）離散介質(zhì)力學(xué)方法，包括剛體極限平衡法、剛體彈簧元法（RBSM）、塊體和顆粒體離散元（DEM，如商業(yè)軟件PFC）、不連續(xù)變形方法（DDA）等。

以有限元、有限差分法為主的連續(xù)介質(zhì)分析方法，在處理復(fù)雜介質(zhì)的小變形本構(gòu)行為如非線性、彈塑性、損傷斷裂、流變、動(dòng)態(tài)沖擊、振動(dòng)等問題有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。王松采用有限元程序ANSYS對(duì)神戶港沉箱碼頭進(jìn)行全面的計(jì)算分析，先結(jié)合98版水運(yùn)工程抗震規(guī)范對(duì)其進(jìn)行傳統(tǒng)的擬靜力抗震分析，得出現(xiàn)行規(guī)范抗震需要的參數(shù)，之后在剛性地基下對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力有限元分析，并與擬靜力法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)對(duì)沉箱碼頭及背后填土進(jìn)行靜力分析，了解受力機(jī)理，之后進(jìn)行考慮地基填土的動(dòng)力響應(yīng)分析，在考慮地基填土之前先進(jìn)行了自由場(chǎng)地的地震分析，得出場(chǎng)地的卓越周期，與沉箱的基本周期進(jìn)行比對(duì)，排除發(fā)生共振的可能性。然后分別考慮在無質(zhì)量地基固定邊界和粘彈性邊界兩種條件下的沉箱碼頭的動(dòng)力響應(yīng)，最后將四種邊界條件下得出的變形最大點(diǎn)的加速度時(shí)程進(jìn)行比較，證明粘彈性邊界是目前精度較高的一種邊界。

離散元方法在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)成為巖土工程領(lǐng)域數(shù)值模擬的有效方法。以離散元為主離散介質(zhì)分析方法在解決離散介質(zhì)的破壞、倒塌等大變形問題上具有顯著優(yōu)點(diǎn)。王桂萱[2]探討了應(yīng)用離散元分析方法求解地震荷載下沉箱和背后填土大變形問題的可能性，開發(fā)了能描述沉箱的平面形狀及沉箱與土體摩擦特性的矩形單元。并通過簡(jiǎn)單實(shí)例分析了地震時(shí)沉箱碼頭的變形，再現(xiàn)了沉箱碼頭地震災(zāi)害的發(fā)生過程，為沉箱在地震情況下的大變形分析提供了一種新途徑。比較了兩種沉箱模型對(duì)分析結(jié)果的影響，提出了相應(yīng)的方法。

4 結(jié)語

（1）室內(nèi)試驗(yàn)得出的結(jié)果能夠很好的為數(shù)值模擬做支撐。在重力式碼頭離心機(jī)與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，記錄模型的變形尺度、破壞形式，以此為依據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；然而數(shù)值模擬相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)有著不可忽視的優(yōu)勢(shì)，其耗時(shí)短、經(jīng)濟(jì)成本低，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們?cè)絹碓絻A向于使用這一手段來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震分析。

（2）有限元發(fā)展到如今相對(duì)于離散元有著它的巨大優(yōu)勢(shì)。雖然離散元能從顆粒層面揭示剪切強(qiáng)度和變形的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理，反映顆粒形狀、孔隙率等試樣要素變化對(duì)模擬結(jié)果的影響，但是對(duì)于碼頭結(jié)構(gòu)這種宏觀尺度，計(jì)算效率太低。而有限元?jiǎng)偤脧浹a(bǔ)了這一問題，在研究砂土的力學(xué)特征時(shí)，采用的是連續(xù)介質(zhì)理論，可以從宏觀上來分析碼頭總體的力學(xué)響應(yīng)，在分析碼頭地震響應(yīng)破壞問題及其穩(wěn)定性分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓理安，席玉耀.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 王桂萱，陳雄，宋力.地震荷載沉箱碼頭大變形分析的離散元法初探[J].海洋工程，2004（22）：131-136.