鋼管樁碼頭抗震設(shè)計(jì)中曲率延性指標(biāo)的計(jì)算

陶桂蘭，喬趙陽(yáng)，阮健

鋼管樁碼頭抗震設(shè)計(jì)中曲率延性指標(biāo)的計(jì)算

陶桂蘭1，喬趙陽(yáng)1，阮健2

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢430071）

能夠快速方便的計(jì)算得到高樁碼頭的曲率延性系數(shù)，對(duì)基于性能的高樁碼頭抗震設(shè)計(jì)具有重要意義。應(yīng)用纖維模型法對(duì)高樁碼頭所采用的鋼管樁進(jìn)行了彎矩-曲率分析，計(jì)算了不同設(shè)計(jì)參數(shù)下鋼管樁截面的等效屈服曲率以及不同極限狀態(tài)下鋼管樁截面的曲率，討論了不同軸壓比、壁厚對(duì)鋼管樁截面等效屈服曲率和極限曲率的影響。在考慮了軸壓比、壁厚和管徑等因素的情況下，對(duì)鋼管樁截面曲率進(jìn)行擬合，獲得了鋼管樁的等效屈服曲率的計(jì)算回歸公式以及不同設(shè)計(jì)極限狀態(tài)下的曲率的計(jì)算回歸公式。通過(guò)算例分析驗(yàn)證了所得回歸公式的可靠性。同時(shí)導(dǎo)出了不同極限狀態(tài)下鋼管樁截面的曲率延性系數(shù)的計(jì)算公式，供工程設(shè)計(jì)人員參考。

鋼管樁碼頭；抗震設(shè)計(jì)；彎矩曲率分析；等效屈服曲率；極限曲率；曲率延性系數(shù)；回歸公式

0 引言

近年來(lái)，基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法已在建筑、公路橋梁領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用[1-2]，曲率延性系數(shù)[3]是工程結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)中一種十分重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般工程結(jié)構(gòu)的曲率延性系數(shù)可通過(guò)截面的極限曲率和等效屈服曲率計(jì)算得到。在港口工程領(lǐng)域，美國(guó)已于2014年實(shí)施新的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范《防波堤及碼頭抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》[4]，其給出了高樁碼頭鋼筋混凝土樁基的曲率延性需求的計(jì)算公式，但并未就鋼管樁碼頭做出規(guī)定。此外，國(guó)內(nèi)阮健等[5]討論了高樁碼頭預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（PHC）極限曲率的計(jì)算方法。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于高樁碼頭鋼管樁基于曲率延性指標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)的研究較少，現(xiàn)行規(guī)范[6]對(duì)此也尚未涉及，有必要對(duì)此開(kāi)展深入研究。鑒此，針對(duì)我國(guó)常用的鋼管樁碼頭結(jié)構(gòu)形式，研究了確定高樁碼頭鋼管樁的等效屈服曲率及3種極限狀態(tài)下的曲率的計(jì)算方法，并擬合得到相應(yīng)的曲率計(jì)算回歸公式，同時(shí)，進(jìn)一步推導(dǎo)了曲率延性系數(shù)的計(jì)算公式，為基于性能的鋼管樁碼頭抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖1為鋼管樁截面曲率的計(jì)算簡(jiǎn)圖（圖中著c為鋼管邊緣的壓應(yīng)變；著s為鋼管邊緣的拉應(yīng)變；孜為受壓區(qū)高度系數(shù)；D為截面高度）。

圖1 鋼管樁截面曲率計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.1Section curvature calculation of steel pipe piles

由圖1可得樁截面曲率漬計(jì)算公式為：

1.2 等效屈服曲率及極限曲率

鋼管樁截面等效屈服曲率的定義[7]如圖2所示，鋼材彎矩曲率（M-漬）曲線可以等效成為雙線性模型，假定截面屈服后的剛度為0，將原點(diǎn)與受拉鋼材首次屈服點(diǎn)（漬y憶，My憶）的連線視為初始彈性階段，調(diào)整塑性階段水平線的位置使得圖2中兩塊陰影部分的面積相等，等效屈服曲率即為漬y。

圖2 等效屈服曲率的定義Fig.2Definition of equivalent yield curvature

本文中的不同極限狀態(tài)的曲率漬m對(duì)應(yīng)于一定的性能目標(biāo)[8]。對(duì)于鋼管樁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極限狀態(tài)，美國(guó)碼頭抗震設(shè)計(jì)規(guī)范Seismic Design of Piers and Wharves[4]規(guī)定了3個(gè)地震動(dòng)水準(zhǔn)：運(yùn)營(yíng)水平地震（OLE）、偶遇水平地震（CLE）、設(shè)計(jì)水平地震（DE）。其性能目標(biāo)分別為：OLE地震發(fā)生后，碼頭可繼續(xù)使用；CLE地震發(fā)生后，碼頭經(jīng)修復(fù)可繼續(xù)使用；DE地震發(fā)生后，碼頭能夠保障生命安全，不倒塌。定義相應(yīng)的3種極限狀態(tài)分別為正常使用極限狀態(tài)、損傷控制極限狀態(tài)和不倒塌極限狀態(tài)（分別記為A極限狀態(tài)、B極限狀態(tài)、C極限狀態(tài)）。文獻(xiàn)[4]用鋼管樁的拉應(yīng)變定量表示不同極限狀態(tài)，鋼管樁樁基材料不同極限狀態(tài)下應(yīng)變限值的規(guī)定見(jiàn)表1。

表1 鋼管樁材料應(yīng)變限值Table 1Strain limits of steel pipe piles

1.3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

在受拉和受壓的情況下，鋼材具有相同的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，本文所研究的鋼管樁的鋼材型號(hào)均為Q345B，屈服強(qiáng)度為Re=345 MPa，彈性模量為Es=2伊105MPa，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型。

1.4 彎矩曲率分析

使用通用截面分析軟件Xtract進(jìn)行截面彎矩-曲率分析[9]。該軟件基于纖維面模型將截面離散為一系列的纖維單元。

建模過(guò)程中的假定主要有：l）鋼管樁的橫截面在受力變形后仍為平面，并且同變形后的鋼管樁軸線垂直；2）鋼管樁的剪切變形可以忽略；3）鋼管樁扭轉(zhuǎn)的影響可以忽略。

通過(guò)彎矩曲率分析可得到不同設(shè)計(jì)參數(shù)下鋼管樁截面的等效屈服曲率和極限曲率。

2 截面等效屈服曲率的計(jì)算分析

2.1 計(jì)算工況

鋼管樁截面外徑D取800 mm、1 000 mm和1 200 mm，管樁壁厚t取14 mm、16 mm、18 mm和20 mm，軸壓比濁取0、0.1、0.2、0.3、0.4，共60種計(jì)算工況。

2.2 截面等效屈服曲率影響因素分析

將3種樁徑鋼管樁的截面等效屈服曲率數(shù)據(jù)根據(jù)管徑進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[10]，令截面曲率與鋼管樁截面外徑的乘積為K，即K=漬·D，從而可以消除截面尺寸的影響，取3種鋼管樁截面對(duì)應(yīng)的K值的平均值。等效屈服曲率隨軸壓比和壁厚的變化分別如圖3、圖4所示。

圖3 等效屈服曲率隨軸壓比的變化Fig.3Variation of equivalent yield curvature with axial compression ratio

圖4 等效屈服曲率隨壁厚的變化Fig.4Variation of equivalent yield curvature with wall thickness

從圖3、圖4可以明顯看出，鋼管樁截面的等效屈服曲率受軸壓比和壁厚的影響很小，可忽略不計(jì)。

2.3 截面等效屈服曲率公式擬合

利用Origin軟件對(duì)鋼管樁截面的等效屈服曲率進(jìn)行擬合，在軸壓比0～0.4，壁厚14～20 mm范圍內(nèi)，鋼管樁截面的等效屈服曲率可由式（2）近似求得：

式中：漬y為截面的等效屈服曲率；D為截面外徑，m。

為驗(yàn)證式（2）是合理的，利用式（2）計(jì)算了外徑為900 mm、壁厚18 mm的鋼管樁在軸壓比0、0.1、0.2、0.3、0.4下的等效屈服曲率，并與Xtract軟件纖維模型法曲率分析值進(jìn)行了比較，比較結(jié)果表明所擬合公式誤差均控制在2%以內(nèi)，利用其進(jìn)行截面等效屈服曲率的計(jì)算可滿足工程需要。由于在上述分析過(guò)程中，鋼材采用Q345B，僅對(duì)一定范圍的軸壓比和壁厚進(jìn)行了研究，因此，在使用擬合公式（2）時(shí)，宜考慮軸壓比和壁厚的適用范圍，我國(guó)高樁碼頭常用鋼管樁都在這個(gè)范圍內(nèi)。

3 截面極限曲率的計(jì)算分析

[4]對(duì)高樁碼頭A、B、C極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的材料極限應(yīng)變限值的規(guī)定，計(jì)算3種極限狀態(tài)下鋼管樁截面的曲率。

3.1 計(jì)算工況

鋼管樁截面外徑D取800 mm、1 000 mm和1 200 mm，壁厚t取14 mm、16 mm、18 mm和20mm，軸壓比濁取0、0.1、0.2、0.3、0.4，控制計(jì)算的鋼材拉應(yīng)變著s取0.01、0.025和0.035，共180種計(jì)算工況。

3.2 截面極限曲率影響因素分析

將3種樁徑鋼管樁的截面極限曲率數(shù)據(jù)根據(jù)樁徑進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[10]，取3種管樁截面對(duì)應(yīng)的K值的平均值，依據(jù)5種軸壓比對(duì)應(yīng)的壁厚作圖，得到3種極限狀態(tài)下曲率隨鋼管樁壁厚的變化規(guī)律如圖5。

從圖5可以看出，壁厚的變化對(duì)極限狀態(tài)下的截面曲率基本無(wú)影響，所以將4種壁厚下的截面的K值取平均值，僅對(duì)軸壓比的影響進(jìn)行分析。依據(jù)對(duì)應(yīng)的軸壓比進(jìn)行作圖，得到3種極限狀態(tài)截面曲率變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

圖5 3種極限狀態(tài)下曲率隨壁厚的變化Fig.5Variation of the curvature with the wall thickness under 3 limit states

圖6 3種極限狀態(tài)曲率變化曲線Fig.6Curvature change curve under 3 limit states

從圖6可以看出，對(duì)應(yīng)于A極限狀態(tài)、B極限狀態(tài)和C極限狀態(tài)的截面曲率依次增大。3種極限狀態(tài)的截面曲率都隨軸壓比的增大而減小，A極限狀態(tài)下的截面曲率隨軸壓比的變化較平緩，近似呈線性關(guān)系；B極限狀態(tài)的截面曲率隨軸壓比的變化也比較平緩，在軸壓比0.1～0.2的范圍內(nèi)變化的幅度相對(duì)于其他軸壓比的情況下較大；C極限狀態(tài)的截面曲率隨軸壓比的變化也比較平緩，在軸壓比0.2～0.3的范圍內(nèi)變化的幅度相對(duì)于其他軸壓比的情況下較大。

3.3 截面極限曲率公式擬合

從圖6的分析結(jié)果可以看出，軸壓比是鋼管樁極限狀態(tài)下的截面曲率的重要影響因素，考慮軸壓比的影響，對(duì)鋼管樁在A、B、C極限狀態(tài)下的截面曲率進(jìn)行線性擬合，式（3）、式（4）、式（5）分別為A、B和C極限狀態(tài)下的曲率計(jì)算公式的擬合結(jié)果：

式中：D為鋼管樁截面外徑；漬O、漬C、漬D分別為A、B、C 3種極限狀態(tài)下的截面曲率；a為截面面積；fc為鋼管樁屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；P為軸壓力；濁為軸壓比。

為驗(yàn)證式（3）、式（4）和式（5）是合理的，利用3個(gè)公式計(jì)算了外徑為900 mm、壁厚18 mm的鋼管樁在軸壓比0、0.1、0.2、0.3、0.4下對(duì)應(yīng)3種極限狀態(tài)下的曲率值，并與Xtract軟件纖維模型法曲率分析值進(jìn)行了比較，比較結(jié)果表明所擬合公式誤差均控制在8%以內(nèi)，其精度可滿足實(shí)際工程極限狀態(tài)的截面曲率計(jì)算的需要，且我國(guó)高樁碼頭常用鋼管樁的軸壓比和壁厚均在上述分析數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)。

4 曲率延性系數(shù)的計(jì)算

參考文獻(xiàn)[3]對(duì)鋼管樁截面的曲率延性系數(shù)的定義為：

式中：滋漬為鋼管樁截面的曲率延性系數(shù)；漬m為鋼管樁截面的極限曲率；漬y為鋼管樁截面的等效屈服曲率。

將式（2）和式（3）、式（4）、式（5）代入曲率延性系數(shù)的計(jì)算公式（6），得到3種極限狀態(tài)下曲率延性系數(shù)的計(jì)算公式如下：

為驗(yàn)證所推導(dǎo)的公式是合理的，利用式（7）、式（8）和式（9）計(jì)算了外徑為900 mm、壁厚18 mm的鋼管樁在軸壓比0、0.1、0.2、0.3、0.4下對(duì)應(yīng)3種極限狀態(tài)下的曲率延性系數(shù)，并與Xtract軟件纖維模型法曲率延性系數(shù)分析值進(jìn)行了比較，比較結(jié)果表明所擬合公式誤差均控制在10%以內(nèi)，其精度可滿足實(shí)際工程極限狀態(tài)的截面曲率延性系數(shù)計(jì)算的需要，且我國(guó)高樁碼頭常用鋼管樁的軸壓比和壁厚均在上述分析數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

采用基于纖維模型法的Xtract軟件，計(jì)算了高樁碼頭中不同設(shè)計(jì)參數(shù)下鋼管樁截面的等效屈服曲率，同時(shí)，參照美國(guó)最新的碼頭抗震規(guī)范中對(duì)于不同極限狀態(tài)下應(yīng)變限值的規(guī)定，計(jì)算了3種極限狀態(tài)下鋼管樁截面的曲率，主要得到以下結(jié)論：

1）軸壓比和壁厚的變化對(duì)等效屈服曲率的影響可忽略不計(jì)；壁厚的變化對(duì)極限狀態(tài)下的截面曲率基本無(wú)影響，3種極限狀態(tài)的截面曲率都隨軸壓比的增大而減小，正常使用極限狀態(tài)下的截面曲率隨軸壓比的變化較平緩，近似呈線性關(guān)系；損傷控制極限狀態(tài)和不倒塌極限狀態(tài)下的截面曲率隨軸壓比的變化也比較平緩，但分別在軸壓比0.1～0.2、0.2～0.3范圍內(nèi)變化的幅度相對(duì)于其他軸壓比的情況下稍大。

2）利用Origin軟件擬合得到鋼管樁截面等效屈服曲率的計(jì)算公式（2）及不同極限狀態(tài)下截面曲率的計(jì)算公式（3）、公式（4）、公式（5），并進(jìn)一步推導(dǎo)得到不同極限狀態(tài)下鋼管樁曲率延性系數(shù)的計(jì)算公式（7）、公式（8）、公式（9），并通過(guò)算例驗(yàn)證了上述公式的合理性，所擬合公式可為基于性能的鋼管樁碼頭抗震設(shè)計(jì)中曲率延性指標(biāo)的確定提供參考。

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Calculation of curvature ductility index in seismic design of steel pipe pile wharf

TAO Gui-lan1,QIAO Zhao-yang1,RUAN Jian2
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430071,China）

For the seismic design of high pile wharf based on performance,it is very important to calculate expediently the curvature ductility factor of high pile wharf.The moment curvature analysis of steel piles used in high pile wharf was carried out by using the fiber model method,and then,the equivalent yield curvature under different design parameters and the curvature under different limit states of steel pipe pile sections were calculated.At the same time,the effects of axial compression ratio and wall thickness on the equivalent yield curvature and ultimate curvature of steel pipe pile sections were discussed.After consideration of axial compression ratio,wall thickness and pipe diameter,the cross section curvature of steel pipe pile was fitted,and the calculation regression formula of equivalent yield curvature and the calculation regression formulas of ultimate curvature under different design limit states were obtained.The reliability of the obtained regression formula was verified by example analysis.Finally,the calculation formula of the curvature ductility factor of steel pipe pile sections under different limit states was derived as reference for engineering designers.

steel pipe pile wharf;seismic design;moment curvature analysis;equivalent yield curvature;ultimate curvature; curvature ductility factor;regression formula

U656.113

A

2095-7874（2017）09-0027-05

10.7640/zggwjs201709006

2017-02-25

2017-05-05

江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自然科學(xué)基金）（BK20151498）

陶桂蘭（1962—），女，江蘇南通人，副教授，博士，主要從事港航工程結(jié)構(gòu)研究。

*通訊作者：?jiǎn)腾w陽(yáng)，E-mail：zhaoyangqiao27@163.com