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 港口海岸與近海工程學院,南京 210098;2.江蘇省南通市通州區沿江開發辦公室，南通 226300)

近年來，我國的港口水運行業發展迅速，碼頭建設向大型化專業化深水化趨勢發展，對深水碼頭建設的要求日益迫切。深水碼頭相較近岸碼頭，其惡劣的外海環境對傳統碼頭型式的承載能力提出了嚴苛的挑戰，且深水環境施工難度也急劇增大。在此大環境下，新型的碼頭型式應運而生。翟秋等[1-2]提出了一種新型碼頭結構型式，該新型碼頭型式借鑒拱橋型式中的拱型結構，利用其良好的抗壓性能，設計出新型的拱式縱梁碼頭以取代傳統的高樁梁板式碼頭結構型式，使得碼頭排架間距增加到28 m，大大減少了樁基數量，降低了碼頭施工水下工程量，提高了經濟效益。

前期對該拱式縱梁碼頭的研究主要集中在全直樁基礎下結構的靜力分析，忽略了拱式縱梁碼頭結構在復雜動態荷載下的結構響應研究和叉樁的設置對結構受力的影響。現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，對于結構的動力響應分析研究還不太充分，限制了該新型結構的進一步推廣；當設置有叉樁時，碼頭水平承載力主要由叉樁承擔，因此叉樁對碼頭結構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態撞擊力作用時的動力響應，以及叉樁布置型式和扭角角度對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，對該新型碼頭的推廣和在實際工程中的應用具有重要意義。

1 拱式縱梁碼頭簡介

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構，利用拱結構良好的抗壓性能，所提出的一種新型碼頭結構型式。它將傳統高樁梁板式碼頭中的縱梁設計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。碼頭樁臺現澆，拱式縱梁預制后擱置在現澆樁臺上，縱梁上設有牛腿，橫向水平撐擱置于牛腿上，面板則擱置在橫向水平撐上。縱橫梁、橫向水平撐與面板共同形成整體，縱橫梁嵌固于樁臺伸出的鋼筋中并澆灌混凝土，使得上部結構形成整體性良好的統一結構。碼頭具體型式如圖1所示。

2 碼頭設計參數

2.1 工程概況

本工程設計船型為15萬t級集裝箱船，船舶控制系泊風力為9級，風速22.6 m/s，碼頭前沿設計流速1.80 m/s。設計高水位4.51 m，設計低水位0.53 m，碼頭頂面高程8.1 m，碼頭前沿設計水深18.0 m。碼頭前沿土體參數見表1。

表1 工程地質材料力學參數匯總表Tab.1 Mechanical property of engineering geological materials

2.2 碼頭結構參數

標準段碼頭橫向排架間距為28 m，一個標準結構段共設基樁22根，預計設置4根叉樁，基樁編號及布置位置如圖2所示。基樁采用大直徑鋼管樁，長46 m，外徑1.5 m，內徑0.75 m，打入土體持力層中。墩臺現澆，厚1.5 m，分兩種尺寸型式。靠海側墩臺寬5.6 m，下方支承3根基樁，其余樁臺寬3 m，下方支承2根基樁，墩臺具體尺寸見圖3和圖4。縱梁為預制拱式縱梁，拱的跨徑為28 m，拱圈梁截面尺寸1.5 m×0.8 m；縱梁間設置預制橫向水平撐，預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。碼頭上部結構總高5 m。高樁碼頭上部結構包括面板、縱橫梁、牛腿及墩臺，將其簡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，具體材料參數見表2。

圖2 基樁布置圖Fig.2Layoutdiagramofpilefoundation圖3 靠海側墩臺尺寸圖(單位:m)Fig.3Layoutdiagramofabutmentseaside圖4 普通墩臺尺寸圖(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 碼頭結構模型圖Fig.5 Model diagram of wharf structure

本文利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元計算軟件，進行碼頭結構的建模以及相關計算分析。模擬樁土相互作用時，目前主流方法包括M法、NL法、p-y曲線法等[3-4]。M法假定樁身任一點的土抗力與樁身側向位移之間近似為線性關系，用梁的彎曲理論來求樁的水平抗力。而實際上樁在水平力作用下，樁身任一點的樁側土壓力與該點處樁身撓度之間的關系是非線性的。p-y曲線法將樁四周接觸的土體簡化成為離散的非線性彈簧，通過對彈簧的剛度系數曲線進行定義來模擬真實土體的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，并且較之于真實土體的接觸單元建模分析能夠顯著減小計算量，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。本次分析通過在靠海側墩臺施加垂直于碼頭方向的等效荷載時程曲線模擬船舶撞擊過程，通過比較碼頭受船舶撞擊力荷載后的應力及位移結果得出最優化的基樁布置方案。碼頭數值模型如圖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《港口工程樁基規范》(JTS 167-4-2012)，當采用P-y曲線模擬水平作用力下樁土相互作用時，軟黏土中樁的P-y曲線在缺乏現場實測數據時可按下式計算。

(1)當Y/Y50<8時

(1)

Y50=ρε50d

(2)

(2)當Y/Y50≥8時

(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準值，kPa；Pu為泥面以下Z深度處樁側單位面積極限水平土抗力標準值，kPa；Y為泥面以下Z深度處樁的側向水平變形，mm；Y50為樁周土達極限水平土抗力之半時，相應樁的側向水平變形，mm；ρ為相關系數，取2.5；ε50為三軸儀試驗中最大主應力差一半時的應變值，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，在缺乏現場試驗資料時，可按下列公式確定

(4)

(5)

本文土層較為復雜，綜合選取兩種土質下的P-y曲線形式，以高度1 m為間隔設置土彈簧，將設置土彈簧的樁節點上下各0.5 m處的樁側向系數積分到相應樁節點位置，使得利用P-y曲線土彈簧模擬樁土作用的結果更加精確。

3.3 碼頭荷載參數

對于碰撞問題，其動力學方程可以用下式表示

M×a+C×v+K×d=Fre

(6)

式中：M為質量矩陣；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，該方法將樁土系統離散成一組質量-彈簧-阻尼器模型，選取ANSYS有限元軟件中的combin165彈簧單元實現模型的建立，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4種樁基布置型式進行計算對比分析，以期獲得較為準確的分析結果。根據《港口工程荷載規范》(JTS 144-1-2010)：滿載排水量大于10萬t的船舶法向靠泊速度一般需控制在0.06～0.15 m/s以內。本文中船舶靠泊速度按文獻[3]選取為0.15 m/s，撞擊荷載作用時間為1.0 s。其中，船舶撞擊荷載采用等效的荷載時程曲線型式進行施加，其波形為半周期的簡協式正弦波，算得該碼頭設計船型下的船舶撞擊力標準值為1 500 kN，峰值采用兩倍等效靜力荷載，為3 000 kN。船舶撞擊力時程曲線具體見圖7；除撞擊荷載外，其余荷載均通過簡化采用等效靜力荷載的方式進行施加。

3.4 樁基布置形式

參照文獻[5]，本文計算叉樁在15°、20°、25°3種不同扭角角度情況下碼頭結構的受力情況，得出最優扭角角度。再通過對叉樁位置的對比分析，得出最適宜的叉樁布置型式。4種設計方式為：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。

將設計方案A作為基本參照，分別與B、C、D對比，研究叉樁的布置位置對碼頭受力特性的影響，從而改進碼頭的樁基型式，得出最優的叉樁布置方案，為今后的設計進行前期鋪墊。

4種布置型式的碼頭結構分別如圖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 計算結果分析

4.1 扭角對結構影響分析

扭角分別為15°、20°、25°設計條件下，樁基樁頂最終應力與位移如表3所示。

表3 樁基樁頂位移及應力匯總表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種設計扭角對應的樁頂位移與樁頂應力差別較小，同時樁頂位移和設計叉樁的扭角角度大致呈正相關的關系，扭角的增大會使得各樁樁頂的位移值小幅上升[6]。

通過ANSYS查找撞擊時程中結構最大應力與位移出現的位置，發現3種扭角情況下碼頭結構所受最大應力均不超過50 MPa，此最大等效應力出現在 4#樁的樁頂位置。應力最大值出現在約0.6 s時，略晚于撞擊力最大時刻出現，說明結構對于撞擊荷載約有0.1 s的響應延遲。上部結構最大應力出現在墩臺與上部結構連接處，最大應力不超過19.5 MPa，且此應力小于混凝土屈服強度30 MPa，結構保持安全。

繪制出3種扭角情況下撞擊發生后5 s內撞擊點的位移時程曲線，如圖9所示。

撞擊過程中結構出現的最大正向撓度約為14 mm。在撞擊發生后的5 s內，可看出碼頭Z方向的位移呈周期性變化，并無累積位移，因此碼頭結構尚未發生塑性變形，整體均處于線彈性階段，說明碼頭整體在船舶撞擊力作用下處于安全狀態。

綜上所述，扭角的變化對碼頭結構所受等效應力無明顯影響，而結構整體位移會隨著扭角的增大而小幅增大。因此，在本文碼頭結構模型的分析中，15°為最優設計扭角角度。

4.2 叉樁位置對結構影響分析

在4種樁基布置的情況下，各樁樁頂應力及位移曲線如圖10及圖11所示。

圖9 3種設計扭角下撞擊點Z向位移時程曲線Fig.9Threetorsionalangles'Z-displacement-timecurve圖10 叉樁位置對樁頂應力影響曲線Fig.10Effectcurveofbatter-piletopilestress圖11 叉樁位置對樁頂位移影響曲線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力，且各樁樁頂承受的總應力較全直樁方案降低了32.2%～61.4%，水平橫向(Z向)位移也會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構樁基結構的應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ANSYS/LS-DYNA分析結果可得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，結構整體位移分布較為規律，基樁水平橫向位移隨入土深度增大而減小，對于受撞擊力直接作用的排架段，其下方的樁基位移要遠大于兩側排架的樁基，文獻[7-8]所提出的撞擊力排架分配系數基本合理。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。

結構整體應力最大值出現在基樁與墩臺連接處以及墩臺與上部結構連接處，該兩處由于構造問題出現應力集中現象，需要在碼頭建造時予以加固，避免其因過大的應力集中導致局部破壞，建議在墩臺與上部結構連接處增設鋼筋以增加結構整體剛度，減小集中應力。

5 結論

本文利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元分析軟件，通過p-y曲線模擬樁土相互作用，對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行了動力響應分析，得出了如下結論：

(1)本碼頭型式基樁設計若為全直樁型式，則會導致結構水平橫向位移過大，影響結構整體穩定。設置叉樁可有效減小結構整體位移。根據分析結果，建議在碼頭底端設置叉樁以提高碼頭穩定性。

(2)在滿足實際施工要求的情況下，拱式縱梁碼頭叉樁扭角不宜過大，在受到船舶撞擊力時，叉樁扭角角度與結構受荷后整體位移正相關。設計扭角取15°時，可保證結構滿足整體穩定性要求。

(3)通過對碼頭結構整體等效應力結果的分析可知，碼頭基樁與墩臺連接處、墩臺與上部結構連接處易發生應力集中，在施工時應進行局部加固，防止構件受損。

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