基于ANSYS/LS-DYNA的水平荷載作用下拱式縱梁碼頭叉樁布置研究

侯 捷，翟 秋，閻佳安，徐小紅

(1.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;2.江蘇省南通市通州區(qū)沿江開(kāi)發(fā)辦公室，南通 226300)

近年來(lái)，我國(guó)的港口水運(yùn)行業(yè)發(fā)展迅速，碼頭建設(shè)向大型化專業(yè)化深水化趨勢(shì)發(fā)展，對(duì)深水碼頭建設(shè)的要求日益迫切。深水碼頭相較近岸碼頭，其惡劣的外海環(huán)境對(duì)傳統(tǒng)碼頭型式的承載能力提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，且深水環(huán)境施工難度也急劇增大。在此大環(huán)境下，新型的碼頭型式應(yīng)運(yùn)而生。翟秋等[1-2]提出了一種新型碼頭結(jié)構(gòu)型式，該新型碼頭型式借鑒拱橋型式中的拱型結(jié)構(gòu)，利用其良好的抗壓性能，設(shè)計(jì)出新型的拱式縱梁碼頭以取代傳統(tǒng)的高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)型式，使得碼頭排架間距增加到28 m，大大減少了樁基數(shù)量，降低了碼頭施工水下工程量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

前期對(duì)該拱式縱梁碼頭的研究主要集中在全直樁基礎(chǔ)下結(jié)構(gòu)的靜力分析，忽略了拱式縱梁碼頭結(jié)構(gòu)在復(fù)雜動(dòng)態(tài)荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究和叉樁的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響?，F(xiàn)有研究中碼頭所受的荷載作用主要以自重、堆貨荷載和水平等效靜力荷載為主，對(duì)于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析研究還不太充分，限制了該新型結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步推廣；當(dāng)設(shè)置有叉樁時(shí)，碼頭水平承載力主要由叉樁承擔(dān)，因此叉樁對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)整體受力的影響分析很有研究必要。本文研究在樁土相互作用下拱式縱梁碼頭受動(dòng)態(tài)撞擊力作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，以及叉樁布置型式和扭角角度對(duì)碼頭受力特性的影響，分析出一種較為合理的叉樁布置型式，對(duì)該新型碼頭的推廣和在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有重要意義。

1 拱式縱梁碼頭簡(jiǎn)介

圖1 碼頭排架三視圖Fig.1 Schematic diagram of wharf with arched longitudinal beams

拱式縱梁碼頭是借鑒了橋梁工程中的拱橋結(jié)構(gòu)，利用拱結(jié)構(gòu)良好的抗壓性能，所提出的一種新型碼頭結(jié)構(gòu)型式。它將傳統(tǒng)高樁梁板式碼頭中的縱梁設(shè)計(jì)為大跨度鋼筋混凝土拱式縱梁，縱梁下利用吊桿及拉桿傳遞荷載與彎矩。碼頭樁臺(tái)現(xiàn)澆，拱式縱梁預(yù)制后擱置在現(xiàn)澆樁臺(tái)上，縱梁上設(shè)有牛腿，橫向水平撐擱置于牛腿上，面板則擱置在橫向水平撐上?？v橫梁、橫向水平撐與面板共同形成整體，縱橫梁嵌固于樁臺(tái)伸出的鋼筋中并澆灌混凝土，使得上部結(jié)構(gòu)形成整體性良好的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。碼頭具體型式如圖1所示。

2 碼頭設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 工程概況

本工程設(shè)計(jì)船型為15萬(wàn)t級(jí)集裝箱船，船舶控制系泊風(fēng)力為9級(jí)，風(fēng)速22.6 m/s，碼頭前沿設(shè)計(jì)流速1.80 m/s。設(shè)計(jì)高水位4.51 m，設(shè)計(jì)低水位0.53 m，碼頭頂面高程8.1 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)水深18.0 m。碼頭前沿土體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工程地質(zhì)材料力學(xué)參數(shù)匯總表Tab.1 Mechanical property of engineering geological materials

2.2 碼頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)段碼頭橫向排架間距為28 m，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段共設(shè)基樁22根，預(yù)計(jì)設(shè)置4根叉樁，基樁編號(hào)及布置位置如圖2所示?；鶚恫捎么笾睆戒摴軜?，長(zhǎng)46 m，外徑1.5 m，內(nèi)徑0.75 m，打入土體持力層中。墩臺(tái)現(xiàn)澆，厚1.5 m，分兩種尺寸型式?？亢?cè)墩臺(tái)寬5.6 m，下方支承3根基樁，其余樁臺(tái)寬3 m，下方支承2根基樁，墩臺(tái)具體尺寸見(jiàn)圖3和圖4?？v梁為預(yù)制拱式縱梁，拱的跨徑為28 m，拱圈梁截面尺寸1.5 m×0.8 m；縱梁間設(shè)置預(yù)制橫向水平撐，預(yù)制面板擱置在橫向水平撐上。面板厚0.4 m，磨耗層厚0.05 m。碼頭上部結(jié)構(gòu)總高5 m。高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)包括面板、縱橫梁、牛腿及墩臺(tái)，將其簡(jiǎn)化為一般的鋼筋混凝土線彈性材料；基樁采用鋼材的材料參數(shù)，具體材料參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 基樁布置圖Fig.2Layoutdiagramofpilefoundation圖3 靠海側(cè)墩臺(tái)尺寸圖(單位:m)Fig.3Layoutdiagramofabutmentseaside圖4 普通墩臺(tái)尺寸圖(單位:m)Fig.4Layoutdiagramofnormalabutment

表2 碼頭模型材料特性表Tab.2 Material parameter of wharf

3 三維實(shí)體有限元模型建立

3.1 基于ANSYS/LS-DYNA的拱式縱梁碼頭有限元模型

圖5 碼頭結(jié)構(gòu)模型圖Fig.5 Model diagram of wharf structure

本文利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元計(jì)算軟件，進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)的建模以及相關(guān)計(jì)算分析。模擬樁土相互作用時(shí)，目前主流方法包括M法、NL法、p-y曲線法等[3-4]。M法假定樁身任一點(diǎn)的土抗力與樁身側(cè)向位移之間近似為線性關(guān)系，用梁的彎曲理論來(lái)求樁的水平抗力。而實(shí)際上樁在水平力作用下，樁身任一點(diǎn)的樁側(cè)土壓力與該點(diǎn)處樁身?yè)隙戎g的關(guān)系是非線性的。p-y曲線法將樁四周接觸的土體簡(jiǎn)化成為離散的非線性彈簧，通過(guò)對(duì)彈簧的剛度系數(shù)曲線進(jìn)行定義來(lái)模擬真實(shí)土體的p-y曲線。土彈簧可提供軸向反力，能夠較好地模擬樁土作用，并且較之于真實(shí)土體的接觸單元建模分析能夠顯著減小計(jì)算量，因此本文采取p-y曲線模擬樁土相互作用。模型彈簧單元采用combi165單元，不考慮其彎曲和扭轉(zhuǎn)。本次分析通過(guò)在靠海側(cè)墩臺(tái)施加垂直于碼頭方向的等效荷載時(shí)程曲線模擬船舶撞擊過(guò)程，通過(guò)比較碼頭受船舶撞擊力荷載后的應(yīng)力及位移結(jié)果得出最優(yōu)化的基樁布置方案。碼頭數(shù)值模型如圖5所示。

3.2 P-y曲線模擬樁土作用型式

3.2.1 軟黏土P-y曲線形式

參照《港口工程樁基規(guī)范》(JTS 167-4-2012)，當(dāng)采用P-y曲線模擬水平作用力下樁土相互作用時(shí)，軟黏土中樁的P-y曲線在缺乏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)可按下式計(jì)算。

(1)當(dāng)Y/Y50<8時(shí)

(1)

Y50=ρε50d

(2)

(2)當(dāng)Y/Y50≥8時(shí)

(3)

式中：P為泥面以下Z深度處作用于樁上的水平土抗力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Pu為泥面以下Z深度處樁側(cè)單位面積極限水平土抗力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Y為泥面以下Z深度處樁的側(cè)向水平變形，mm；Y50為樁周土達(dá)極限水平土抗力之半時(shí)，相應(yīng)樁的側(cè)向水平變形，mm；ρ為相關(guān)系數(shù)，取2.5；ε50為三軸儀試驗(yàn)中最大主應(yīng)力差一半時(shí)的應(yīng)變值，本文取0.01。

3.2.2 砂土P-y曲線形式

砂土中樁的P-y曲線，在缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料時(shí)，可按下列公式確定

(4)

(5)

本文土層較為復(fù)雜，綜合選取兩種土質(zhì)下的P-y曲線形式，以高度1 m為間隔設(shè)置土彈簧，將設(shè)置土彈簧的樁節(jié)點(diǎn)上下各0.5 m處的樁側(cè)向系數(shù)積分到相應(yīng)樁節(jié)點(diǎn)位置，使得利用P-y曲線土彈簧模擬樁土作用的結(jié)果更加精確。

3.3 碼頭荷載參數(shù)

對(duì)于碰撞問(wèn)題，其動(dòng)力學(xué)方程可以用下式表示

M×a+C×v+K×d=Fre

(6)

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；a為加速度向量；v為速度向量；d為位移向量；Fre為包括碰撞力在內(nèi)的外力向量。

本文采用P-y曲線模擬樁土相互作用，該方法將樁土系統(tǒng)離散成一組質(zhì)量-彈簧-阻尼器模型，選取ANSYS有限元軟件中的combin165彈簧單元實(shí)現(xiàn)模型的建立，基本模型如圖6所示。

圖6 樁土相互作用模型 圖7 船舶撞擊力時(shí)程曲線 Fig.6 Model of pile-soil interaction Fig.7 Time-history curve of the ship′s impact force

本文分別對(duì)4種樁基布置型式進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，以期獲得較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》(JTS 144-1-2010)：滿載排水量大于10萬(wàn)t的船舶法向靠泊速度一般需控制在0.06～0.15 m/s以內(nèi)。本文中船舶靠泊速度按文獻(xiàn)[3]選取為0.15 m/s，撞擊荷載作用時(shí)間為1.0 s。其中，船舶撞擊荷載采用等效的荷載時(shí)程曲線型式進(jìn)行施加，其波形為半周期的簡(jiǎn)協(xié)式正弦波，算得該碼頭設(shè)計(jì)船型下的船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值為1 500 kN，峰值采用兩倍等效靜力荷載，為3 000 kN。船舶撞擊力時(shí)程曲線具體見(jiàn)圖7；除撞擊荷載外，其余荷載均通過(guò)簡(jiǎn)化采用等效靜力荷載的方式進(jìn)行施加。

3.4 樁基布置形式

參照文獻(xiàn)[5]，本文計(jì)算叉樁在15°、20°、25°3種不同扭角角度情況下碼頭結(jié)構(gòu)的受力情況，得出最優(yōu)扭角角度。再通過(guò)對(duì)叉樁位置的對(duì)比分析，得出最適宜的叉樁布置型式。4種設(shè)計(jì)方式為：A.全直樁布置；B.叉樁布置于4#、5#、15#、16#基樁位置；C.叉樁布置于6#、7#、17#、18#基樁位置；D.叉樁布置于8#、9#、19#、20#基樁位置。

將設(shè)計(jì)方案A作為基本參照，分別與B、C、D對(duì)比，研究叉樁的布置位置對(duì)碼頭受力特性的影響，從而改進(jìn)碼頭的樁基型式，得出最優(yōu)的叉樁布置方案，為今后的設(shè)計(jì)進(jìn)行前期鋪墊。

4種布置型式的碼頭結(jié)構(gòu)分別如圖8所示。

8-a 全直樁型式 8-b 前叉樁型式 8-c 中叉樁型式 8-d 后叉樁型式圖8 4種樁基布置型式下的碼頭左視圖Fig.8 Left elevation of wharf under four kinds of pile foundation layout forms

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 扭角對(duì)結(jié)構(gòu)影響分析

扭角分別為15°、20°、25°設(shè)計(jì)條件下，樁基樁頂最終應(yīng)力與位移如表3所示。

表3 樁基樁頂位移及應(yīng)力匯總表Tab.3 Displacement of the top of foundation piles summary sheet

由表3可以看出，在受相同撞擊力作用的條件下，3種設(shè)計(jì)扭角對(duì)應(yīng)的樁頂位移與樁頂應(yīng)力差別較小，同時(shí)樁頂位移和設(shè)計(jì)叉樁的扭角角度大致呈正相關(guān)的關(guān)系，扭角的增大會(huì)使得各樁樁頂?shù)奈灰浦敌》仙齕6]。

通過(guò)ANSYS查找撞擊時(shí)程中結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力與位移出現(xiàn)的位置，發(fā)現(xiàn)3種扭角情況下碼頭結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力均不超過(guò)50 MPa，此最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在 4#樁的樁頂位置。應(yīng)力最大值出現(xiàn)在約0.6 s時(shí)，略晚于撞擊力最大時(shí)刻出現(xiàn)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)對(duì)于撞擊荷載約有0.1 s的響應(yīng)延遲。上部結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在墩臺(tái)與上部結(jié)構(gòu)連接處，最大應(yīng)力不超過(guò)19.5 MPa，且此應(yīng)力小于混凝土屈服強(qiáng)度30 MPa，結(jié)構(gòu)保持安全。

繪制出3種扭角情況下撞擊發(fā)生后5 s內(nèi)撞擊點(diǎn)的位移時(shí)程曲線，如圖9所示。

撞擊過(guò)程中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大正向撓度約為14 mm。在撞擊發(fā)生后的5 s內(nèi)，可看出碼頭Z方向的位移呈周期性變化，并無(wú)累積位移，因此碼頭結(jié)構(gòu)尚未發(fā)生塑性變形，整體均處于線彈性階段，說(shuō)明碼頭整體在船舶撞擊力作用下處于安全狀態(tài)。

綜上所述，扭角的變化對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)所受等效應(yīng)力無(wú)明顯影響，而結(jié)構(gòu)整體位移會(huì)隨著扭角的增大而小幅增大。因此，在本文碼頭結(jié)構(gòu)模型的分析中，15°為最優(yōu)設(shè)計(jì)扭角角度。

4.2 叉樁位置對(duì)結(jié)構(gòu)影響分析

在4種樁基布置的情況下，各樁樁頂應(yīng)力及位移曲線如圖10及圖11所示。

圖9 3種設(shè)計(jì)扭角下撞擊點(diǎn)Z向位移時(shí)程曲線Fig.9Threetorsionalangles'Z-displacement-timecurve圖10 叉樁位置對(duì)樁頂應(yīng)力影響曲線Fig.10Effectcurveofbatter-piletopilestress圖11 叉樁位置對(duì)樁頂位移影響曲線Fig.11Effectcurveofbatter-piletopiledisplacement

由圖可知，在布置有叉樁的樁基布置方案中，叉樁樁頂承受最大的應(yīng)力，且各樁樁頂承受的總應(yīng)力較全直樁方案降低了32.2%～61.4%，水平橫向(Z向)位移也會(huì)大幅降低至全直樁方案的25%～50%；其中，前叉樁和中叉樁布置方案在減少碼頭結(jié)構(gòu)樁基結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移方面有明顯效果。

圖12 1#樁水平橫向位移隨入土深度變化曲線Fig.12 Z-direction displacement curve of pile 1#

根據(jù)ANSYS/LS-DYNA分析結(jié)果可得1#樁水平橫向位移隨樁基入土深度變化曲線(圖12)。由圖12可以看出，結(jié)構(gòu)整體位移分布較為規(guī)律，基樁水平橫向位移隨入土深度增大而減小，對(duì)于受撞擊力直接作用的排架段，其下方的樁基位移要遠(yuǎn)大于兩側(cè)排架的樁基，文獻(xiàn)[7-8]所提出的撞擊力排架分配系數(shù)基本合理。其中前叉樁與中叉樁布置方案較為有效地降低了樁基位移尺度。

結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在基樁與墩臺(tái)連接處以及墩臺(tái)與上部結(jié)構(gòu)連接處，該兩處由于構(gòu)造問(wèn)題出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要在碼頭建造時(shí)予以加固，避免其因過(guò)大的應(yīng)力集中導(dǎo)致局部破壞，建議在墩臺(tái)與上部結(jié)構(gòu)連接處增設(shè)鋼筋以增加結(jié)構(gòu)整體剛度，減小集中應(yīng)力。

5 結(jié)論

本文利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元分析軟件，通過(guò)p-y曲線模擬樁土相互作用，對(duì)拱式縱梁碼頭的多種樁基布置型式在船舶撞擊力作用下進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析，得出了如下結(jié)論：

(1)本碼頭型式基樁設(shè)計(jì)若為全直樁型式，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水平橫向位移過(guò)大，影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。設(shè)置叉樁可有效減小結(jié)構(gòu)整體位移。根據(jù)分析結(jié)果，建議在碼頭底端設(shè)置叉樁以提高碼頭穩(wěn)定性。

(2)在滿足實(shí)際施工要求的情況下，拱式縱梁碼頭叉樁扭角不宜過(guò)大，在受到船舶撞擊力時(shí)，叉樁扭角角度與結(jié)構(gòu)受荷后整體位移正相關(guān)。設(shè)計(jì)扭角取15°時(shí)，可保證結(jié)構(gòu)滿足整體穩(wěn)定性要求。

(3)通過(guò)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)整體等效應(yīng)力結(jié)果的分析可知，碼頭基樁與墩臺(tái)連接處、墩臺(tái)與上部結(jié)構(gòu)連接處易發(fā)生應(yīng)力集中，在施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行局部加固，防止構(gòu)件受損。

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