高樁碼頭PHC管樁抗震性能研究*

王紹君，李翠楦，趙 健

(1.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090； 2.黑龍江省寒區(qū)軌道交通工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150090； 3.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展，沿海地區(qū)高樁碼頭逐漸用大型預應力混凝土管樁或鋼管樁替代截面較小的樁，從而形成管樁碼頭。其中，預應力高強鋼筋混凝土管樁，即PHC(pre-stressed high-strength concrete)樁被廣泛應用。然而，我國沿海地區(qū)處于環(huán)太平洋地震帶，面臨地震災害的嚴峻考驗。港口碼頭是水上交通樞紐，在國家經濟發(fā)展中的地位舉足輕重，一旦遭受地震破壞，將嚴重影響其正常使用以及經濟貿易的正常發(fā)展。

近年，國內外學者針對高樁碼頭和PHC管樁地震響應進行了大量研究。Shahrour等[1]開展了多種樁組合的離心機模型試驗，研究發(fā)現(xiàn)雖然微傾斜樁斜度增強了群樁的剛度，降低了地表下樁身彎矩，但增加了承臺交界面處斜樁彎矩。Yan等[2]采用二維有限差分程序FLAC對高樁碼頭進行地震反應分析，揭示了強震下高樁碼頭結構性能影響因素。洪亞東等[3]采用Pushover方法，考慮樁-土相互作用，研究不同加載模式對高樁碼頭抗震性能的影響。徐曉哲[4]研究了PHC管樁的破壞特征、承載力、滯回性能、剛度退化、耗能能力等抗震性能指標，對比分析了樁身填芯和非預應力鋼筋對預應力的影響規(guī)律。王文進[5]研究了PHC管樁在地震下的破壞模式和受力特征，分析了增加體積配筋率、摻入鋼釬維、混合配筋和填芯之后管樁的抗震性能。王鐵成等[6]分別從滯回耗能延性和承載力等幾個方面研究預應力混凝土管樁(PHC管樁)、預應力鋼纖維高強混凝土管樁(SFPHC管樁)、添加普通鋼筋的預應力高強混凝土管樁(PRC管樁)的抗震性能，以及填芯對管樁抗震性能的影響效應。邸昊[7]通過低周往復加載試驗和數(shù)值模擬，研究PHC管樁的延性和耗能能力。

本文基于某高樁碼頭實例，建立了高樁碼頭PHC管樁地震反應分析數(shù)值模型，開展PHC管樁樁徑、樁長、樁截面等不同工況對PHC管樁抗震性能影響的研究，以期為我國沿海地區(qū)高樁碼頭PHC管樁強震設計提供借鑒與參考。

1 高樁碼頭地震反應數(shù)值模擬方法

1.1 高樁碼頭結構

該碼頭采用梁板式高樁碼頭，高樁碼頭樁臺寬度為39m，樁排架間距10m，每個排架由6～8根組成，平面布置如圖1所示。樁臺面板采用疊合板，板厚為200mm。樁臺下的基樁共6根，采用大直徑預應力鋼筋混凝土管樁，直徑為1 200mm，樁身編號為1～6，樁間距約為6 000mm，樁長為32m。碼頭前沿泥面高程為-18.040m，碼頭樁臺面頂?shù)母叱虨?.070m。

圖1 某高樁碼頭工程平面布置 [8]

1.2 工程地質條件

根據(jù)工程地質資料，結合區(qū)域地質特征及土體物理力學性質，場區(qū)內土層自上而下為：回填土、亞黏土、淤泥質亞黏土、粉細砂、粗礫砂、風化層亞黏土。各土層物理力學性質如表1所示[8]。

表1 各層土物理力學參數(shù)

1.3 數(shù)值模型

高樁碼頭結構比較復雜，為了便于計算，對實際碼頭結構進行簡化如下：選取1個橫向排架，計算單元長度為10m，如圖1中虛線框所示。梁板式高樁碼頭的橫向排架由橫梁和樁基組成。樁頂與上部結構有足夠的錨固長度，且碼頭結構只有垂直樁而無叉樁，水平力全部由直樁來承擔，故樁頂與上部結構的連接按固結計算。樁的入土深度足夠長，故樁的下端按彈性嵌固于岸坡土體中計算。

高樁碼頭工程抗震設防烈度為7度(0.1g)，場地類別為Ⅱ類，計算只考慮水平地震動作用。選取El Centro波，地震動加速度時程如圖2所示[8]。

圖2 地震動輸入時程[8]

為消除邊界效應對高樁碼頭地震反應影響，模型寬為439m，高為240m(見圖3)。模型左邊界和右邊界約束x方向位移，模型底部邊界約束y向位移，上邊界為自由邊界。土體采用Drucker-Prager模型模擬，PHC管樁和橫梁簡化為線單元，采用梁單元進行模擬。PHC管樁和樁臺參數(shù)如表2所示。

圖3 高樁碼頭模型示意[8]

表2 PHC管樁和樁臺物理力學參數(shù)[8]

基于李穎等[9]高樁碼頭非線性地震反應分析計算結果，驗證1.2節(jié)建立的數(shù)值模型可靠性。文獻[8]中給出模型詳細驗證過程，不再贅述。

2 PHC管樁抗震性能分析

2.1 PHC管樁樁徑對抗震性能影響

選取1號、2號和3號樁徑為1 400mm，4號、5號和6號樁徑為1 200mm(見圖4)作為多樁徑1組；取1號、2號和3號樁徑為1 200mm，4號、5號和6號樁徑為1 400mm作為多樁徑2組，多樁徑1組和2組的樁壁厚度均為150mm，分別計算兩組樁徑在加速度峰值(PGA)為0.1g，0.2g和0.4g的El Centro波作用下的變形與抗彎能力。表3和表4分別為不同峰值El Centro波作用下多樁徑1組和2組的樁水平位移與彎矩。

表3 0.1g，0.2g和0.4g峰值地震動作用下樁水平位移

圖4 不同樁徑PHC管樁

表3為0.1g，0.2g和0.4g峰值加速度下樁水平位移。由表3可見，隨著地震動加速度峰值的增加，樁水平位移逐漸增大；樁底處，0.4g加速度峰值作用下，樁水平位移都超過允許值(水平位移允許值為58mm[8])，即已發(fā)生破壞。

表4呈現(xiàn)了不同加速度峰值下樁身彎矩變化情況。由表4可見，地震作用下，PHC管樁樁身彎矩變化趨勢基本一致；隨著地震動峰值加速度的增加，樁彎矩也逐漸增大；彎矩在土層的交界面以及樁身和岸坡土體的交界面附近變化明顯，且在樁身和岸坡土體的交界面之上其變化趨勢較弱；樁身彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂、土層交界面或樁身和岸坡土體面的交界面附近；且在相同峰值加速度下，多樁徑2組的樁身彎矩更大。

表4 0.1g,0.2g和0.4g地震作用下樁彎矩

2.2 PHC管樁截面形狀對抗震性能影響

由2.1節(jié)分析可知，在地震動加速度峰值較大時，高樁碼頭PHC管樁會發(fā)生破壞。這里，采用實心圓樁和空心圓樁的組合提高PHC管樁的抗震性能。在每根樁的危險截面處進行換樁，即實心圓樁替換空心圓樁，換樁的長度L取為2.5m[8]，即在危險截面的上下各換樁2.5m。但為了制作和施工方便，可在危險截面上方換樁至樁頂，如表5所示，采用空心圓樁和實心圓樁的組合形式。組合樁樁4號和5號的實心部分長為15m，空心部分長為17m[8]；樁6號實心部分長為8m，空心部分長為24m[8]。

表5 組合樁示意

選取樁徑為1 200，1 300mm和1 400mm，樁壁厚度為150mm的PHC管樁，計算組合樁在峰值加速度為0.1g，0.2g和0.4gEl Centro波作用下變形與抗彎能力。表6為不同峰值加速度下樁身位移。隨著地震動峰值加速度的增加，樁水平位移逐漸增大。在0.1g和0.2g峰值加速度作用下，隨著樁徑的增大，樁頂水平位移減小，樁底水平位移增大，故樁相對水平位移減小，且未超過允許值。

表6 0.1g,0.2g和0.4g地震作用下組合樁水平位移

但在0.4g峰值加速度作用下，樁徑為1 300mm時，樁頂水平位移、樁底水平位移、樁相對水平位移最大，且所有樁的水平位移都超過允許值而破壞。同時，對比表3，組合樁較未組合樁的樁頂樁身水平位移減小、樁底樁身水平位移增加、樁身相對水平位移減小。

圖5～7分別為樁徑1 200，1 300mm和1 400mm不同峰值加速度下PHC管樁彎矩。由圖5～7可見，隨著地震動峰值的增加，PHC管樁樁身彎矩逐漸增大且變化趨勢基本一致。在土層交界面以及樁身和岸坡土體的交界面附近，樁身彎矩有所改變，但在樁身和岸坡土體的交界面之上其變化趨勢較弱；樁身彎矩最大值出現(xiàn)位置基本不變。

圖5 樁徑為1 200mm時不同峰值加速度下組合樁彎矩

圖7 樁徑為1 400mm時不同峰值加速度下組合樁彎矩

2.3 PHC管樁樁長對抗震性能影響

本節(jié)選取樁徑為1 200mm，樁壁厚為150mm的PHC管樁，圖8為樁1號至樁6號的兩種多樁長組合形式L1和L2。表7和表8分別給出了L1和L2兩種多樁長組合形式下的PHC管樁位移與彎矩變化情況。

圖8 PHC管樁多樁長組合

由表7可知，隨著地震作用的增加，樁的水平位移明顯增大。在0.1g和0.2g峰值地震動下，所有樁的水平位移都未超過允許值，即樁均未發(fā)生破壞。0.4g峰值地震動作用下，有的樁水平位移超過允許值，即發(fā)生破壞。

表7 0.1g,0.2g和0.4g地震作用下多樁長水平位移

0.1g，0.2g和0.4g峰值地震動作用下，PHC管樁樁身彎矩變化趨勢基本一致(見表8)。隨著地震動峰值的增加，樁身彎矩逐漸增大；樁身彎矩在土層的交界面，以及樁身和岸坡土體面的交界面附近有所改變，且在樁身和岸坡土體面的交界面之上其變化趨勢較弱；樁身彎矩最大值出現(xiàn)的位置基本不變；同時，在相同峰值地震動作用下，L2形式樁身彎矩比L1形式的樁彎矩小。

表8 0.1g,0.2g和0.4g地震作用下多樁長樁身彎矩

3 結語

針對我國沿海地區(qū)高樁碼頭工程中常用的PHC管樁，構建了高樁碼頭PHC管樁地震反應分析數(shù)值模型，聚焦PHC管樁抗震性能及其影響因素，提出采用不同的樁徑、空實心組合樁截面以及不同樁長的組合形式，分析了高樁碼頭PHC管樁的抗震性能為高樁碼頭實際工程建設提供參考，主要結論如下。

1) PHC管樁樁身彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂、土層交界面或樁身和岸坡土體面的交界面附近，為危險截面。

2)在PHC管樁抗震設計中，建議靠近陸側的樁選擇相對較小的樁徑，靠近海側的樁選擇相對較大的樁徑。

3)高樁碼頭PHC管樁靠近海側的樁可通過組合樁截面形式提高其抗震性能，靠海側的樁可增大樁長提高其抗震性能。