波流作用下大直徑管樁碼頭動力響應分析

陸素娟

（廣西八桂工程監(jiān)理咨詢有限公司，廣西 南寧 530031）

0 引言

隨著船舶大型化的推進以及水運業(yè)的發(fā)展，離岸深水大直徑管樁碼頭憑借其工程造價低、泊穩(wěn)條件好、海上施工方便等優(yōu)點成為我國未來港口建設的趨勢［1］。離岸深水大直徑管樁碼頭多處于開敞海域的軟土地基上，主要承受風、浪、流等動力荷載，受力性狀較為復雜。

離岸深水大直徑管樁碼頭一般為全直樁碼頭，大直徑管樁一般采用預應力混凝土管樁或鋼管樁，波流荷載是其重要的動力作用。張衛(wèi)平采用不同樁基阻抗分析了離岸深水碼頭在規(guī)則和不規(guī)則波作用下的動力響應，指出樁土耦合作用對于樁柱響應有很大影響［2］；左殿軍等采用ABAQUS有限元軟件對全直樁基礎在波浪和車輛雙向循環(huán)荷載作用下的受力特性進行了分析，指出在豎向和水平雙向循環(huán)荷載作用會導致樁基內(nèi)力的重分布［3］；王朝陽在對波浪力和船舶撞擊力作用下全直樁碼頭的動力響應進行了數(shù)值模擬，建立了動力簡化計算方法，認為全直樁碼頭的動力響應類似于單自由度系統(tǒng)［4］。

以上文獻對于波浪荷載的計算多采用微幅波理論，未考慮微幅波理論在實際外海環(huán)境中的適用性，此外海上波浪傳播過程中往往伴隨著海流，波浪水流的共同作用不容忽視。因此有必要對波流作用下開敞海域的大直徑管樁碼頭動力特性進行深入研究。

本文結(jié)合某離岸深水大直徑管樁碼頭，通過ANSYS平臺建立碼頭排架有限元模型，采用基于p－y曲線的非線性Winkler地基梁法模擬樁土相互作用，研究波流聯(lián)合作用下大直徑管樁碼頭的動力特性。

1 模型介紹

1.1 工程原型

本文所研究的工程原型來源于某離岸深水碼頭，該碼頭采用全直樁梁板式結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，下部基樁采用大直徑鋼管樁。碼頭排架間距為15m，每榀排架下設四根壁厚22mm、直徑1 800mm的Q345鋼管樁，基樁中心間距11.5m，混凝土強度為C40，鋼管樁和混凝土材料參數(shù)見表1。鋼管樁入土深度為45m，泥面以上長度為35m，工程所在地地質(zhì)條件見表2。設計波浪重現(xiàn)期為50年一遇，波浪要素見表3，相應重現(xiàn)期下的水流流速值見表4。

表1 鋼管樁及混凝土主要材料參數(shù)表

表2 地質(zhì)條件參數(shù)表

表3 設計波浪要素表

表4 海流流速表

1.2 波流荷載的計算

對于靜止于水的中小直徑圓柱體所受波浪荷載計算一般采用Morison方程［5］，任意高度Z處單位柱高所受水平波浪力為：

式中：P——作用在柱體全斷面上的水平波浪力；

PD——水平拖曳力（kN／m）；

Pl——水平慣性力（m）；

D ——柱體直徑（m）；

CD——拖曳力系數(shù)，取1.2；

CM——慣性力系數(shù)，取2.0；

A——柱體斷面面積（m2）；

ρ——水的密度（kg／m3）；

u——水質(zhì)點軌道運動的水平速度（m／s）；

t——時間（s）。

其中水質(zhì)點速度和加速度的計算依賴所選取的波浪理論，我國《港口與航道水文規(guī)范》［6］推薦采用微幅波理論。實際上外海波浪波面振幅大，波動的自由水面非線性影響不可忽略，微幅波理論并不完全適用，而斯托克斯五階波可以考慮自由液面的非線性特點，對于深水區(qū)波浪較為適用，因此本文采用斯托克斯五階波理論［7］［8］。

波浪傳播過程中往往伴隨著水流，海流速度相對于波浪水質(zhì)點來說隨時間變化較為緩慢，可認為是定常水流，對于柱體的作用僅為拖曳力［9］，對于直立柱體，單位柱高上的拖曳力矢量為：

式中：PD′——波流聯(lián)合作用下的拖曳力；

本案例中考慮當海流與波浪傳播方向同向，沿X正向傳播。

1.3 波流作用下碼頭排架有限元模型

選取一榀排架作為研究對象，通過ANSYS有限元軟件建立排架有限元模型如圖1所示。碼頭上部結(jié)構(gòu)采用SOILD45單元；泥面以上鋼管樁采用可模擬水動力效應的PIPE59單元；泥面以下鋼管樁采用PIPE20單元。采用COMBIE39非線性彈簧單元模擬樁周土體對樁的約束作用，COMBINE39的荷載位移關(guān)系曲線通過獲取土層的p－y曲線來定義，樁土相互作用簡化為非線性Winkler地基梁彈簧模型，如圖2所示。其中p－y曲線的選取采用API規(guī)范推薦曲線［10］。定義X正方向與岸線方向垂直，假設波流入射方向同向，均沿X正方向傳播，碼頭樁基從左到右依次編號為1?！?＃。

2 結(jié)構(gòu)動力響應分析

2.1 自振頻率

對于本文研究的碼頭排架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)阻尼比設為0.03［11］，通過結(jié)構(gòu)自由振動分析可以得到前六階自振頻率及相應的周期如表5所示?？梢钥吹揭浑A振型對應的自振周期接近于2s，與設計波浪荷載周期相差較大，產(chǎn)生共振的可能性較小，然而對于船舶撞擊荷載等短周期荷載則需要引起注意。

圖1 碼頭排架有限元模型示意圖

圖2 非線性Winkler地基梁模型示意圖

表5 自振頻率分析結(jié)果表

2.2 樁土相互作用的影響

《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167－4－2012）中規(guī)定可以采用假想嵌固點法計算水平受荷樁［12］，該法簡化處理了樁土相互作用。為了研究樁土相互作用對碼頭在波流荷載作用下的響應的影響，本文分別考慮嵌固點模型和Winkler非線性地基梁模型（樁土相互作用模型）兩種情況下排架結(jié)構(gòu)的響應，通過ANSYS瞬態(tài)響應模塊計算結(jié)構(gòu)動力響應。

計算得到1＃樁泥面位移時程曲線如圖3所示。由圖3可知，兩種模型下泥面位移時程變化趨勢大致相同，位移峰值點出現(xiàn)在大約1s左右，此時瞬態(tài)振動明顯，約12s后，瞬態(tài)振動衰減為零，結(jié)構(gòu)進入穩(wěn)態(tài)反應。一般對于作用時間極短的爆炸或者沖擊荷載瞬態(tài)反應不能忽略［13］，而對處于外海長期波浪和水流條件下的深水大直徑管樁碼頭，則應當主要考慮其在外荷載作用下的穩(wěn)態(tài)反應。

結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)態(tài)振動時，嵌固點模型泥面峰值位移為0.016m，樁土相互作用模型泥面峰值位移為0.043m，增加了152%，由此可見，采用嵌固點模型進行分析將會低估波流荷載對結(jié)構(gòu)的作用效果，所以本文在后續(xù)的分析中均采用樁土相互作用模型。

圖3 不同計算模型下1＃樁泥面節(jié)點位移時程曲線對比圖

2.3 不同波浪周期的影響

本文設計波浪周期為11.8s，考慮到實際復雜的海洋環(huán)境，將會出現(xiàn)各種不同周期的波浪組合，隨著波浪周期的變化，樁與波浪之間的作用不同，計算波浪荷載時采取不同的波浪理論結(jié)果可能會產(chǎn)生較大的差別。本文選取波浪周期從8s（當周期＜8s時，波浪形態(tài)接近破碎，不符合實際）到18s，每隔2s共取6種周期工況，分別采用微幅波理論和斯托克斯五階波理論計算1＃樁泥面穩(wěn)態(tài)反應時峰值位移，結(jié)果如圖4所示。

當其他設計參數(shù)一定時，波浪周期增長，波流荷載與樁基泥面位移增大，采用微幅波理論計算時位移增幅較小，而采用斯托克斯五階波理論計算時位移增幅較大。從整體來看，微幅波理論較斯托克斯五階波理論計算結(jié)果偏小，且周期越長兩者差別越大。根據(jù)本文研究的不同波浪參數(shù)結(jié)合蘭艷蓉［7］對波浪理論適用條件的分析，采用斯托克斯五階波計算波流荷載更為合理，因此按照港口與航道水文規(guī)范（JTS145－2015）［6］建議采用微幅波理論計算時將會低估波流荷載對結(jié)構(gòu)的作用，尤其對長周期波應當慎重考慮。

圖4 不同波浪周期下對應的峰值位移對比圖

3 結(jié)語

（1）本案例中全直樁碼頭排架結(jié)構(gòu)自振周期接近2s，在船舶撞擊荷載等短周期荷載中可能產(chǎn)生共振；

（2）嵌固點模型的計算結(jié)果將會低估荷載對結(jié)構(gòu)的作用，建議工程中盡量采用樁土相互作用模型計算；

（3）在本文設計參數(shù)下，隨著波浪周期增長，波流荷載增大，長周期波對結(jié)構(gòu)的破壞作用更強。外海波浪振幅較大，采用微幅波理論計算波流荷載可能會低估其對結(jié)構(gòu)的作用，建議基于斯托克斯五階波計算外海波流荷載。