大圓筒防波堤抗震能力評估方法比較

宋波，李楊*，馮國俊，張輝

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；

2.強震區軌道交通工程抗震研究北京市國際科技合作基地，北京100083）

大圓筒防波堤抗震能力評估方法比較

宋波1，2，李楊1，2*，馮國俊1，2，張輝1，2

（1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083；

2.強震區軌道交通工程抗震研究北京市國際科技合作基地，北京100083）

基于振動臺試驗、Push-over方法、和推覆試驗3種方法對大圓筒的抗震能力進行評估。振動臺試驗研究了未加固情況下大圓筒模型在地震作用下的動力響應；Push-over分析通過對結構的能力譜與規范中的需求譜進行分析，對大圓筒防波堤的抗震能力進行了評估；推覆試驗對大圓筒在水平力作用下的位移響應進行了研究。由3種不同方法可得：未加固情況下的大圓筒防波堤可以抵擋7度地震烈度，在8度地震烈度情況下將發生不可逆轉的破壞；Push-over方法得到結果較振動臺試驗結果更為保守，在實際工程運用中會留有更多安全儲備，作為一種既相對簡單又較為準確的方法在一定程度上可以滿足工程實際的需要。

大圓筒防波堤；振動臺試驗；Push-over方法；抗震能力評估

0 引言

隨著國內深水碼頭的建設，大直徑鋼筋混凝土和鋼圓筒結構應用也越來越廣泛。沉入式大圓筒結構為薄壁筒結構，底部開放，內部填充碎石土、砂土等回填材料，其結構形式簡單，工程造價低，施工周期短，抗震性能、止水性能優越，且承載力高、耐久性好，適用于軟土地基[1]。但也造成了大圓筒筒壁與回填料之間相互作用機理及筒體失穩破壞機制復雜的特點，大直徑圓筒結構與土體相互作用機理復雜，同時受風、波浪等可變荷載的影響，面臨的風險比較大。國內外工程實踐中，由于地震和波浪而導致的筒形基礎防波堤結構破壞案例屢見不鮮。1995年的阪神地震中，日本人工島上的筒形基礎防波堤結構產生較大的地面沉降和水平位移，嚴重影響了碼頭的交通運輸[2]。長江口深水航道治理二期工程中的筒形基礎防波堤在寒潮大浪作用下曾發生穩定性破壞。因此，大直徑圓筒結構碼頭的抗震設計已成為亟待研究的重要課題。

1 國內外研究現狀

顧培英等[3-4]采用不同大圓筒模型開展了室內振動臺試驗研究，探討大圓筒深高比、徑高比對碼頭抗震性能的影響關系，主要針對自振頻率、振型、動力放大系數等動力特性進行分析比較。

張建紅等[5]開展了大圓筒基礎在循環動荷載作用下的離心模型試驗，研究了在動荷載作用下大圓筒基礎的動力響應，并比較了荷載強度和基礎剛度對基礎動力響應的影響。

菅野高弘等[6]（1998）基于1995年日本兵庫縣南部地震中直徑15.5 m，高度16.5 m，水深12 m的鋼圓筒結構碼頭震害調研發現，兩者結合可以客觀評價鋼圓筒結構的適用性。

王元戰等[7-8]根據大直徑圓筒結構的工作原理，基于重力式結構穩定性驗算的方法，開展了1/22的縮尺模型振動臺試驗和數值模擬分析，并取筒內土體重量的70%作為抗傾穩定的有效重量，由圓筒前趾的抗傾力矩與傾覆力矩的比值得到抗傾覆穩定性安全系數來分析沉入式大圓筒的穩定性。

中村充裕[9]對名古屋港的沉入式圓筒防波堤結構進行了地震現場監測。

2 工程背景

本文依托委內瑞拉卡貝略港防波堤工程，該工程位于委內瑞拉西北部海域地區，加勒比海南岸，屬強震區域。為滿足卡貝略港內新建集裝箱碼頭作業要求，需新建東、西防波堤，防波堤工程采用淺埋式大圓筒結構。東堤與碼頭用地邊界線的端點相交，呈折線布置，在不影響回旋水域安全使用的條件下取最短路徑，長為615 m；西堤則沿西北方向延伸至深水區，長度為440 m，工程整體示意圖如圖1所示。

圖1 卡貝略新港一期工程平面布置示意圖Fig.1Plan layout of the first phase of Cabelo new portproject

該工程防波堤主體結構采用直立式鋼圓筒結構方案。大圓筒直徑為22 m，高度為22.5 m，壁厚16 mm，鋼材采用Q345。結構典型斷面圖如圖2所示。場地土參數如表1所示。

圖2 防波堤結構典型斷面Fig.2Typical cross section of the breakwater structure

表1 場地土參數Table 1Site soil parameters

3 振動臺試驗

振動臺試驗依托北京科技大學工程試驗中心的ES-15/KE-2000液壓單向電液伺服式地震模擬振動臺系列設備進行。該振動臺額定荷載50 kN，滿載時最大加速度為10 m/s2，振動臺平面尺寸為1.5 m×1.5 m。為便于試驗現象觀測及數據采集，試驗采用單筒模型，筒體材質為有機玻璃，其密度為ρ1=1 200 kg/m3，彈性模量E1=15.5 GPa，根據試驗條件，確定模型幾何相似系數λ=1/27.5。由模型幾何相似可計算出筒體高H=22.5m/27.5= 0.82 m，筒直徑D=22 m/27.5=0.8 m，為保證剛度相似，大圓筒壁厚設為10mm。對筒壁進行糙化處理，使砂土與筒壁的接觸面摩擦系數達到0.6，以模擬低碳鋼筒體與砂土之間的接觸關系。特別制作一個尺寸為2 m×1 m×1.5 m的鋼制砂箱注水以模擬海洋環境（圖3）。

圖3 振動臺試驗Fig.3Shaking table experiment

委內瑞拉卡貝略港防波堤分東堤和西堤，其中以東堤1-1截面為典型斷面（如圖2）。本次試驗簡化模型如圖4所示，由于實際工程中筒底埋砂層數較多，試驗過程中不容易模擬，筒底埋砂采用具有代表性的4號土層，簡化后試驗模擬土層參數如表2所示。

圖4 試驗模型示意圖Fig.4Experimental model

表2 試驗土層參數Table 2Test soil parameters

為準確模擬工程場地海床砂土，特別提前加載靜壓力，用以模擬工程場地的欠固結飽和砂層，通過地震作用下力學相似比例的土結構相似關系和Buckingham π原理推導實際工程結構與模型之間的相似關系，所采用相似比如表3所示。

表3 振動臺試驗模型相似比Table 3Similarity ratio of shaking table test model

地震波加載選取El Centro地震波，按照JTS 146—2012《水運工程抗震設計規范》[10]中相對于地震烈度7度、8度、9度，分梯度加載峰值為0.1 m/s2、0.2 m/s2、0.4 m/s2的地震波，所采用地震波形如圖5所示。

圖5 加載地震波波形示意圖Fig.5Loading seismic wave forms

三輪試驗地震波加載完成后，筒體發生不同程度的傾斜現象，在地震強度較小的情況下筒體產生整體平移，地震強度較大的情況下筒體將會傾斜，最終將會破壞，峰值為0.1 m/s2EI Centro地震作用下筒頂位移時程曲線如圖6所示，試驗詳細結果如圖7所示。

圖6 筒頂位移時程圖Fig.6Displacement time history of cylinder top

圖7 筒頂X向最大水平位移Fig.7The maximum horizontal displacement of the cylinder top at X direction

4 Push-over分析方法

4.1 Push-over分析方法簡介

Push-over分析方法是一種能力譜與需求譜相結合的彈塑性分析方法[11]，它是按一定的加載方式，對結構施加單調遞增的水平荷載，逐步將結構推覆至目標位移或某一極限狀態，以便分析結構的非線性性能及變形是否滿足設計要求[12]。

4.2 基于《水運工程抗震設計規范》彈性反應譜的需求譜的建立

《水運工程抗震設計規范》給出了在阻尼比為0.05時的地震加速度反應譜。這里采用折減系數R（u）對彈性動力放大系數反應譜（加速度反應譜）曲線進行折減，根據Vinidic模型[13]中的第四種模型建立需求譜。根據現場實際情況場地類型劃分Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組。其中，地震系數與地震烈度關系如表4所示。

表4 地震系數k與地震烈度的關系Table 4The relationship between seismic coefficient k and seismic intensity

4.3 Push-over方法分析過程

采用Abaqus大型通用有限元軟件對大圓筒地震作用下等效恢復力與結構目標位移的關系進行分析。將重力荷載定義為第一工況，側向荷載的加載方式采用施加第一階振型的模態荷載，再將得到的能力曲線按式（1）、式（2）轉化為能力譜。

式中：A為擬加速度譜；D為擬位移譜；Vb為基底剪力，即所有支撐處水平反力總和；u為頂端位移；是相對于基本振型的有效質量；Γ1是基本振型的振型參與系數；為基本振型在頂端的振幅；mj為j節點的集中質量；為基本振型1在j節點的振幅；N是節點數。

將大圓筒的Push-over分析得到的能力譜曲線與5%阻尼比的規范需求反應譜繪制在一起，如圖8所示。

圖8 簡化能力譜方法計算圖Fig.8Calculation chart of simplified capability spectrum method

由圖8可以看出，對于規范反應譜，在峰值加速度PGA=0.05g和PGA=0.1g的情況下，能力譜與需求反應譜的交點位于能力譜的線性段之內；大圓筒的地震反應是彈性的；在PGA=0.2g和PGA=0.4g情況下，能力譜與需求反應譜的交點位于能力譜的非線性段內，大圓筒的地震反應進入塑性階段。

5 推覆試驗

為了驗證Push-over對大圓筒抗震分析結果的正確性，試通過對大圓筒進行推覆試驗的結果來進行判斷。

試驗采用鋼圓筒，鋼材采用Q345。模型相似比為18.3。所用細砂參數與振動臺試驗相同。采用液壓千斤頂提供水平推力，千斤頂最大可提供200 kN推力，壓力傳感器量程為0～300 kN，均滿足本次試驗需求，試驗具體情況如圖9所示。

圖9 試驗示意圖（單位：m）Fig.9Sketch of experimental model（m）

參考《水運工程抗震設計規范》中有關重力式碼頭沿高度作用于質點i的水平向地震慣性力標準值的計算說明，將試驗中的水平作用力轉換成不同烈度等級的地震，試驗結果見圖10。

6 結果對比分析

以上分別采用Push-over分析方法、振動臺試驗和推覆試驗的方法對大圓筒防波堤的抗震能力進行評估，對3種方法得出的結果進行對比。

由圖10可以看出Push-over分析方法較振動臺試驗得出的結果更為保守，地震作用下計算得到的筒頂水平位移更小，且隨著地震強度的不斷增加，Push-over分析方法越來越保守。Push-over分析方法與推覆試驗得到結果較為吻合，最大誤差約為7%，保證了Push-over分析方法對大圓筒防波堤進行抗震分析的可行性和正確性。

圖103 種方法結果對比Fig.10Comparison of the three methods

根據日本規范《港灣の施設の技術上の基準·同解説》[14]規定，地震作用下防波堤頂部位移限值Δδ不應大于1.5%h（h為泥面以上筒高），以本工程為例，大圓筒的位移極限為0.247 5 m。Pushover分析結果與推覆試驗結果對大圓筒在各地震烈度水平下的破壞情況如表5所示。

表5 不同方法分析大圓筒在各地震烈度下的破壞情況Table 5The destruction of large cylinders under each earthquake intensity by different methods

由表5可知，在未加固情況下振動臺試驗、Push-over分析結果與推覆試驗結果均得出大圓筒可抵抗7度地震烈度，在8度地震烈度下將發生破壞。

7 結語

1）本文分別通過Push-over分析方法、振動臺試驗和推覆試驗3種方法對大圓筒防波堤進行了抗震能力評估，Push-over分析方法與推覆試驗最終結果相差在7%左右，驗證了Push-over分析方法對大圓筒防波堤進行抗震分析的可行性和正確性。

2）根據日本規范《港灣の施設の技術上の基準·同解説》規定，地震作用下防波堤頂部位移限值Δδ不應大于1.5%h（h為泥面以上筒高），以本工程為例，大圓筒的位移極限為0.247 5 m，在Push-over分析方法和推覆試驗中，大圓筒均可抵抗7度地震烈度，在8度地震烈度下發生不可逆轉破壞。

3）Push-over分析方法得到結果比振動臺試驗結果更為保守，在實際工程運用中會留有更多安全儲備。

4）動力時程分析法技術復雜、計算工作量大、結果處理繁雜，且結果的準確性很大程度上依賴于輸入的地面運動情況，許多問題在理論上還需要進一步改進，因此很難被工程技術人員掌握。Push-over分析方法作為一種既相對簡單、又較為準確有效的方法在一定程度上可以滿足工程實際的需要。

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Comparative study on evaluation methods of seismic capacity of large cylindrical breakwaters

SONG Bo1,2,LI Yang1,2*,FENG Guo-jun1,2,ZHANG Hui1,2
（1.School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2. Beijing International Cooperation Base for Science and Technology-Aseismic Research of the Rail Transit Engineering in the Strong Motion Area,Beijing 100083,China）

Based on the shaking table test,Push-over method and Push-over test,we evaluated the seismic capacity of the large cylinder.Shaking table test was carried out to study the dynamic response of the large cylinder model under the earthquake action without reinforcement.Push-over analysis method was used to evaluate the seismic capacity of the large cylinder breakwater by the capability spectra of the structure and the demand spectrum.The displacement responses of the large cylinders under the horizontal force are studied by Push-over test.We concluded that no reinforcement large cylinder breakwater case can withstand an earthquake of 7 degrees,it will occur irreversible destroy under 8 degrees earthquake;Pushover analysis results are more conservative than shaking table test results,and more safety reserves will be left in the actual engineering application.As a simple,accurate method,it can meet the actual needs of the project to some extent.

large cylinder breakwater;shaking table test；Push-over method;seismic capacity evaluation

U656.2

A

2095-7874（2017）06-0001-06

10.7640/zggwjs201706001

2016-11-05

2017-02-13

國家自然科學基金資助項目（51178045）；教育部海外名師資助項目（MS2011BJKJ）

宋波（1962—），男，山東招遠人，博士，教授，結構工程專業。

*通訊作者：李楊，E-mail：lytt168@126.com