動(dòng)力荷載作用下高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

陳楓 江蘇興宇傳工程設(shè)計(jì)有限公司

1.引言

隨著我國(guó)水利設(shè)施建設(shè)、港口碼頭的不斷發(fā)展，目前結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性已經(jīng)成為了一大亟待解決的問(wèn)題。碼頭結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要包括高樁碼頭、板樁碼頭以及重力式碼頭等。其中，高樁碼頭指的是一種修建于軟弱地基上的碼頭結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)包括自重輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等，這種碼頭的一種結(jié)構(gòu)形式是混凝土高樁基礎(chǔ)，根據(jù)地面與樁的傾斜角度的不同，可以將其劃分為叉樁和直樁。混凝土叉樁作為一種受力構(gòu)件，其主要作用是承擔(dān)來(lái)自于水平側(cè)向荷載與上部結(jié)構(gòu)的力，由于其有著清晰的傳力路徑，當(dāng)存在外部荷載時(shí)，即刻通過(guò)樁身逐漸傳遞到地基，從而盡量減少碼頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)移變形的問(wèn)題。

高樁碼頭在港口工程中較為常見(jiàn)，在高樁碼頭結(jié)構(gòu)中，最關(guān)鍵的組成是樁基。在本文中，主要分析研究了在設(shè)計(jì)高樁碼頭樁基的過(guò)程中所出現(xiàn)的各種技術(shù)問(wèn)題。

在服役的過(guò)程中，高樁碼頭結(jié)構(gòu)不但能在正常的工作環(huán)境下承受活載、恒載等荷載的作用，同時(shí)還有可能遭受到爆炸、撞擊及地震等作用。碼頭結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)受到靠泊船舶撞擊力的作用，同時(shí)還包括船舶擠靠力、系纜力以及系泊船舶撞擊力等。其中，當(dāng)人為操作出現(xiàn)失誤或者靠泊船舶由于慣性較大導(dǎo)致速度控制失調(diào)時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生大能量的船舶撞擊作用。與板樁碼頭及重力式碼頭相比，高樁碼頭的水平抗側(cè)剛度和水平承載力相對(duì)較小，當(dāng)受到撞擊力時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)水平變形的問(wèn)題，所以船舶撞擊力通常會(huì)極大的影響高樁碼頭的性能。近年來(lái)，汕頭港、天津港等港口也多次出現(xiàn)由于船舶撞擊導(dǎo)致梁板斷裂或基樁斷裂的問(wèn)題。

如何使高樁碼頭的穩(wěn)定性和安全性得到穩(wěn)定的提升，已經(jīng)成為了工程界和科研界的一大研究熱點(diǎn)，在這種背景下對(duì)動(dòng)力荷載（如船舶撞擊力等）進(jìn)行研究具有一定的現(xiàn)實(shí)作用。

2.研究方法

圖1 高樁碼頭動(dòng)力荷載作用數(shù)值模型

ABAQUS作為一款通用的用于計(jì)算有限元的軟件，其有著較為強(qiáng)大的功能，該軟件中的A BAQUS/Explicit求解器模塊能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)的方式進(jìn)行顯式分析，通過(guò)該模塊不但能夠使準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題得到有效的解決，同時(shí)還能對(duì)各種復(fù)雜度較高的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行模擬，特別是一些瞬時(shí)的、短暫的動(dòng)態(tài)過(guò)程，例如爆炸、沖擊等。借助于有限元分析法，能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行參數(shù)化分析，并且還能了解當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時(shí)的內(nèi)力分布情況，從而為受力機(jī)制的研究奠定一定的基礎(chǔ)。

在本文中，選擇的研究對(duì)象為高樁碼頭所具有的叉樁結(jié)構(gòu)，在綜合考慮混凝土材料及鋼筋的應(yīng)變率效應(yīng)的情況下，借助于有限元ABAQUS/Explicit求解器模塊對(duì)水平?jīng)_擊數(shù)值模型進(jìn)行構(gòu)建，并分別從求解方法、網(wǎng)格劃分、單元類(lèi)型、邊界與接觸條件、材料模型、幾何模型等方面優(yōu)化模型，從而使數(shù)值模型更加有效。本文選擇的研究對(duì)象為高樁碼頭所具有的鋼筋混凝土叉樁結(jié)構(gòu)，研究分析在水平?jīng)_擊背景下叉樁結(jié)構(gòu)所做出的一系列的動(dòng)力響應(yīng)，由于樁頂是主要的沖擊作用點(diǎn)，如果假定叉樁結(jié)構(gòu)下端錨被固定，則可以暫不考慮樁土效應(yīng)。

對(duì)沖擊數(shù)值模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，可得圖1，該圖的(1～3)部分共同組成了待沖擊試件模型。在該模型中：①代表的是軸壓施加裝置，為了使預(yù)應(yīng)力筋得到相關(guān)的收縮應(yīng)力，本文采用了降溫法對(duì)其進(jìn)行處理，當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋不斷收縮時(shí)將會(huì)使鋼墊板逐漸向下產(chǎn)生一定的擠壓力，從而使試件能夠受到指定軸向荷載；②代表的是混凝土部分；③代表的是鋼筋籠。

圖2 沖擊力時(shí)程曲線

圖3 位移變化時(shí)程曲線

3.結(jié)果分析

3.1 沖擊力結(jié)果分析

當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí)，鋼筋混凝土構(gòu)件將會(huì)做出一系列的沖擊力響應(yīng)，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)，可以將該響應(yīng)過(guò)程劃分為峰值上升段、平臺(tái)發(fā)展段、卸載段這三個(gè)階段。

當(dāng)試件與沖擊力相互接觸時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一系列的沖擊區(qū)域響應(yīng)，在這種情況下沖擊力將會(huì)快速的增長(zhǎng)至峰值Fd,max，沖擊體的速度在此時(shí)與試件相同，死后沖擊體的速度將會(huì)小于試件速度，這兩者之間的接觸也會(huì)不斷的減弱，當(dāng)沖擊力作用不斷下降時(shí)，即可獲得呈現(xiàn)出脈沖形狀的沖擊力曲線。

受限于試件的耗能能力及抗彎剛度，試件的動(dòng)能將會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文埽溥\(yùn)動(dòng)速度也會(huì)不斷的下降。在這種情況下，沖擊體與試件之間的接觸作用也會(huì)不斷的加強(qiáng)，之后便會(huì)出現(xiàn)沖擊體與試件的速度多次交換的現(xiàn)象，沖擊力曲線的通常會(huì)呈現(xiàn)出振蕩狀，其數(shù)值通常在Fd,ave上下浮動(dòng)，從而形成平臺(tái)段，該階段是試件的耗能和吸能階段，耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，從整體上來(lái)看主要表現(xiàn)是沖擊體和試件共同運(yùn)動(dòng)。隨著試件變形程度的不斷加大，當(dāng)其達(dá)到變形的最大值以后，沖擊體所具有的動(dòng)能便會(huì)不斷的轉(zhuǎn)變?yōu)樵嚰冃文?，?dāng)試件與沖擊體的速度變?yōu)榱銜r(shí)，試件將會(huì)釋放出一部分變形能，從而使沖機(jī)體產(chǎn)生回彈作用，試件與沖擊體之間的接觸也會(huì)越來(lái)越弱，從而導(dǎo)致這兩者相互分離，隨著沖擊力的不斷下降，最終將會(huì)降低為零，所以會(huì)形成卸載段。

3.2 位移結(jié)果分析

對(duì)于試件而言，沖擊位置處所產(chǎn)生的位移時(shí)程曲線詳情可參考圖3，當(dāng)處于沖擊試驗(yàn)階段時(shí)，曲線將會(huì)出現(xiàn)一定的回彈，究其原因：軸壓施加裝置在受到了預(yù)應(yīng)力螺桿所帶來(lái)的張拉作用以后，將會(huì)引起結(jié)構(gòu)位移在衰減的過(guò)程中呈現(xiàn)出阻尼振動(dòng)的變化趨勢(shì)從而逐漸趨向穩(wěn)定，在確定獲得沖擊以后的實(shí)際殘余變形值時(shí)，需要計(jì)算振動(dòng)段的平均值。

3.3 主要結(jié)論

在對(duì)比實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果和有限元時(shí)，需要分別從試件的動(dòng)力時(shí)長(zhǎng)曲線、破壞形態(tài)以及破壞過(guò)程等方面進(jìn)行。同時(shí)，本文還基于水平?jīng)_擊的背景，將沖擊速度和結(jié)構(gòu)傾角作為主要的參數(shù)，對(duì)鋼筋混凝土叉樁所做出的一系列動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行深入的討論。結(jié)過(guò)分析以后，得到的結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

(1)當(dāng)處于能量狀態(tài)時(shí)，在所有的內(nèi)容中，塑性應(yīng)變能的占比約為70%～85%，樁體縱向鋼筋和樁體混凝土將會(huì)吸收大部分的試件內(nèi)能。當(dāng)試件傾角不斷增加時(shí)，由樁體鋼筋和樁帽鋼筋共同吸收的動(dòng)能將會(huì)逐漸變?yōu)榇蟛糠直讳撁变摻钗铡?/p>

(2)對(duì)于沖擊力時(shí)程曲線而言，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傾角或者初始能量值不斷增加時(shí)，沖擊力所對(duì)應(yīng)的時(shí)程曲線將會(huì)變成五階段，并且將會(huì)出現(xiàn)一些次波峰段和分離段，其中，次波峰段將會(huì)呈現(xiàn)出“脈沖狀”。當(dāng)結(jié)構(gòu)傾角和沖擊速度不斷增大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致峰值沖擊力也不斷增加，隨著結(jié)構(gòu)傾角的不斷增加，平均沖擊力也會(huì)逐漸減小。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬的方式通常能夠?qū)υ嚰_擊位置所產(chǎn)生的位移的最大值進(jìn)行有效的模擬。當(dāng)結(jié)構(gòu)傾角和沖擊速度不斷增加時(shí)，試件在該位置處產(chǎn)生的位移的最大值也將會(huì)逐漸增加。

4.結(jié)語(yǔ)

在本文中，通過(guò)研究在設(shè)計(jì)高樁碼頭樁基時(shí)所產(chǎn)生的各種技術(shù)問(wèn)題，選擇泊船舶撞擊力這一動(dòng)力荷載為背景，探究了高樁碼頭受到泊船舶撞擊力時(shí)所產(chǎn)生的各種關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，其中包括位移時(shí)程曲線以及沖擊力時(shí)程曲線。對(duì)沖擊荷載背景下高樁碼頭結(jié)構(gòu)所做出的一系列的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，具有一定的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也能為后續(xù)工程的指導(dǎo)奠定一定的理論基礎(chǔ)。