采用碳纖維布加固的高樁碼頭地震響應數值模擬分析

莊 寧,鄭 苗,孫浩東,陳俊舟

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098;2.河海大學 水利工程實驗教學中心，南京 210098 )

在應用廣泛的碼頭形式中，高樁碼頭應用較多。通過震害調查可知：高樁碼頭上部結構主要受水平地震慣性力作用，震害相對較輕，其震害主要集中在下部結構樁基礎。地震作用下高樁碼頭的破壞形式主要有兩種：一種是土體發生液化，導致承載力不足；第二種為樁基在軟硬土分界處發生樁身曲率過大,而發生破壞。同時，地震使樁基和梁相交處產生很大的彎矩和剪切力，導致基樁頂部剪斷或者塑性損傷。前人的研究表明，樁板連接處最易發生破壞，加固樁板連接處可以起到增強結構的抗彎能力。

1984年日本利用碳纖維片修補鐵路橋橋墩的裂縫，這是第一次試用于既存結構物。1995年阪神地震的災后修復中大量使用了CFRP修補加固技術。美國是FRP材料應用較為廣泛的國家。自20世紀30年代美國便著力于此方面的研究，主要用于航空航天領域，并相繼出臺了FRP在結構加固領域的標準規范。歐洲對CFRP的研究始于20世紀70年代的德國， 1997年英國至少有30座橋梁和結構物采用了CFRP加固和修補。2001年，國際結構混凝土聯合會(FIB)出版了FRP加固鋼筋混凝土結構設計指導規范，總結了歐洲各國在FRP加固領域的研究成果[1]。

我國目前在役很多高樁碼頭由于設計建設年代較早，抗震級別存在嚴重不足，高樁碼頭在使用過程中發生損壞，導致結構承載力下降，存在安全隱患，嚴重威脅整體結構的長期安全運營[2]。碳纖維復合材料作為補強混凝土結構技術，加固結構后具有較好的耐久性和減震效果[3]。

目前，在橋梁和房建方向等領域，徐相國[4],Mingbo D[5],張維[6]等人已做了大量研究，結果證實經碳纖維布加固后結構的抗震性明顯提高。而目前對于港口工程領域利用碳纖維材料加固碼頭結構的研究主要集中在提高結構承載力方面，如李勇[7]針對丹東港大東港區泊位，利用碳纖維材料加固進行高樁梁板式碼頭的修復； Al-Salloum、Almusallam[8]研究了梁柱節點的延性，并對六個混凝土柱樣品用環氧樹脂粘貼碳纖維布加固后進行對比；劉陽陽等[9]通過靜載試驗針對高樁碼頭梁構件進行碳纖維布加固，實驗研究結果表明，結構延性、剪切阻力等均得到提高。Ozbakkalogu等[10]使用了 FRP 永久模板加固高強混凝土方形柱并進行反復加載試驗。試驗結果顯示，矩形截面柱進行倒角后進行 FRP 加固，有效提高 FRP 材料加固試件的承載力和抗震性能。Colomb[11]在FRP 加固短柱的試驗研究中，發現加固后的短柱破壞形式由剪切破壞變為彎曲破壞和彎剪破壞，短柱的承載力和延性均得到增強了。 Colalillo[12]實驗了反復荷載作用下 CFRP 加固的鋼筋混凝土梁的抗剪和抗彎性能，結果表明，CFRP 加固后梁的抗剪和抗彎承載力性能較加固前均得到提高，橫向粘貼 FRP 對裂縫形式和斜裂縫的開展具有很大影響。

由此可知，CFRP加固能有效提升結構的整體承載力、增強結構強度，而目前對于CFRP材料加固高樁碼頭時，結構抗震性能研究較少，因此開展此項研究具有十分重要的理論和實際工程意義。

1 工程概況及模型建立

表1 實際高樁碼頭尺寸Tab.1 Actual high pile wharf size m

本文主要依托某港區千噸級雜貨泊位的高樁碼頭，采用的是梁板結構，地震設防烈度為8度，選擇了一個碼頭典型結構剖面，圖1為高樁碼頭的斷面圖。混凝土強度等級為C40，碼頭尺寸如表1所示。建設場地地質年代屬于第四紀全新世層，場地類別為Ⅰ類，從上到下地層組成為亞粘土、黏土和板巖。亞粘土和黏土的土層含水量大于20%，具有很強壓縮性，表現為流塑狀，承載力較低，第三層的板巖為持力層。

表2 碳纖維布加固的碼頭的模型尺寸Tab.2 Model dimensions of wharf strengthened with fiber sheet m

本文模型基于實際工程，主要結構尺寸如表2所示，模型土體的縱向的大小為60 m，橫向大小為85 m。由于碼頭方向結構和荷載對稱，同時又考慮結構段相互獨立性，建立了一個由4個排架組成的結構段來模擬碼頭結構，樁基編號如圖2所示(同一個排架的第一個數字相同，第二個數字為該排架的樁基的序號(從海側向陸側))。

圖1 高樁碼頭結構斷面圖(單位:高程:m;尺寸:mm)Fig.1Sectiondiagramofhighpilewharfstructure圖2 高樁碼頭結構示意圖Fig.2Schematicdiagramofhighpilewharfstructure

此次研究選取了EI-Centro波，該地震波在地震響應研究中廣泛應用[13]，縱向施加地震波，持續時間15 s，其加速度如圖3所示。峰值加速度為0.2 g，抗震設防烈度為8度。

模型中樁基、面板、縱梁、橫梁和土體采用ABAQUS軟件中的實體C3D8R單元，節省計算時間[14]。碳纖維布(CFRP)采用四節點膜單元(M3D4)進行模擬，減縮積分的四邊形膜單元只有面內剛度，沒有抗彎剛度[15]。混凝土部分采用的是彈塑性損傷模型[16]，可以較為真實的模擬結構在地震波下的響應。在阻尼計算方面，采用瑞利阻尼進行計算。由于后期土體在重力作用下會產生位移和應力，導致計算分析結果極不合理，本文采用initial conditions語句進行的地應力平衡方法[17]，然后再進行地震動力分析。

2 模型動力響應驗證

圖4 提取點位置示意圖Fig.4 Illustration of extraction points

對無限元和有限元相耦合的模型(未加固碳纖維布的模型)的底部輸入加速度峰值為0.1 g EI-Centro 地震波，設置觀察點，然后提取其地震加速度時程，以此來觀察模型的地震動力響應的情況。如圖4所示，觀察點A設置在樁基的中部，距離最上的土層1 m，另外觀察點B設置在樁基的底部，觀察點C設置在無限單元邊界。輸入地震波后，分別提取三個觀察點的加速度時程，見圖5所示。對比可知，各個觀察點的加速度和對模型施加的地震波曲線線型基本相同。由于地震波傳遞的路徑和不同的土層，各個觀察點的加速度時程曲線還是存在一定的差異，各點出現峰值的時刻基本一致。另外發現越是靠近施加地震波的位置的點，觀察點的加速度時程響應越是明顯，波形中變動變化較多，這與土層的阻尼消耗是有關系的。各個觀察點的時程曲線與輸入的地震波的曲線基本一致，這就說明模型的邊界設置等是可靠有效的。

5-a0.1gEI-Centro地震波5-b觀察點A的加速度曲線5-c觀察點B加速度曲線5-d觀察點C加速度曲線圖5 提取點加速度時程曲線Fig.5Accelerationtimehistorycurveofextractionpoints

3 加固部位的影響

研究表明地震中高樁碼頭樁基是最易發生破壞的構件[18]，因此分別建立只加固樁身頂部的工況一和加固樁基橫梁節點的工況二(如圖6和圖7所示)以及不加固的工況三。其中，工況一的模型只加固樁基頂部1 m的長度，工況二中碳纖維布沿著樁基向下環包加固1 m，部梁底從節點處開始向左右加固U形碳纖維布各60 cm，加固方式的簡圖如圖8所示。對比施加地震波后，三種工況下結構的地震響應。

圖6 加固碼頭樁頂示意圖Fig.6Schematicdiagramofreinforcedpiletopofwharf圖7 加固的碼頭樁基節點示意圖Fig.7Schematicdiagramofthereinforcewharfpilefoundation圖8 碳纖維布加固方式的簡圖Fig.8SimplediagramofstrengtheningmethodofcarbonFibersheet

3.1 碼頭面板動力響應

圖9 EI-Centro波碼頭面板水平位移Fig.9 Horizontal displacement of wharf panel under EI-Centro wave

圖9為對不同的工況的碼頭結構施加EI-Centro波時碼頭面板的水平位移曲線。相應的面板向陸側和海側水平位移的峰值對比如表3所示。從圖表分析可知，在地震波作用下，未加固的碼頭結構和僅加固樁頂的碼頭結構水平位移反應線型相似，峰值出現的時刻基本相同。工況一和工況二中，碼頭最大的負向水平位移均減小，抗震性能得到提升。相比工況一，工況二中碼頭面板向海陸側的位移降低值較大，抗震性能提升幅度明顯，這是由于CFRP加固節點保證了樁基和橫梁共同作用，對地震作用下的響應產生較大的影響。

表3 在不同地震波作用下碼頭面板向海陸側位移峰值Tab.3 Peak displacement of wharf panels to sea and land under different seismic waves m

表4 El-centro波下樁1-1樁頂峰值相對位移
Tab.4 Peak relative displacement of pile top of pile 1-1 under El-centro wave

m

圖10 EI-Centro波下碼頭1-1樁身相對位移Fig.10 Relative displacement of wharf pile 1-1under EI-Centro wave

地震波未加固加固樁頂加固節點El-centro波0.15610.14560.1101

3.2 樁身相對位移的影響

圖10為在EI-Centro波作用下不同工況下的樁身1-1相對位移響應，碼頭樁頂相對位移峰值如表4所示。從圖表分析可知，加固前后樁身相對位移變化曲線基本相似，自樁底到樁頂，相對位移逐漸增大。由于土體與樁的相互作用，在其交界處以上5 m的位置，出現明顯的拐點，斜率發生改變。同時，與未加固的樁身相比，工況一和二均減小了樁基樁頂的相對位移，提高了碼頭的抗震性能。但由于土體對樁基的約束作用，對樁身的影響效果較小。此外，相對于工況一，工況二能較大幅度減少樁身相對位移。

圖11 EI-Centro波下不同工況的樁頂峰值彎矩Fig.11 Peak bending moment of pile top under different working conditions under EI-Centro wave

表5 EI-Centro波下樁頂彎矩值及變化率Tab.5 Moment value and change rate of pile top under EI-Centro wave

3.3 樁身彎矩響應

對三種工況下的碼頭結構分別施加EI-Centro波，提取各個樁基樁頂處峰值彎矩，并繪制圖11。不同工況的樁基頂部峰值彎矩值及變化率如表5所示。從圖表分析可知工況一和二都可以起到減小碼頭結構樁基頂部峰值彎矩的作用，同時工況一在地震波作用下，峰值彎矩變化率較小。可見僅加固樁基頂部并不能有效的降低樁頂的彎矩值，碳纖維布加固樁基節點的作用更加顯著。

4 加固厚度的影響

由以上分析可知，與工況一相比，工況二的抗震性更加明顯，故將重點研究加固碼頭樁基節點的地震響應。在原加固節點模型的基礎上，改變碳纖維布的加固厚度來研究其對結構的影響。

4.1 碼頭面板動力響應

為得出碳纖維布加固厚度對碼頭面板動力響應的影響，設置厚度分別為1、2、3層的碳纖維布，加固的部位是碼頭樁基節點。圖12為在EI-Centro波作用下，不同加固厚度的碼頭面板向海側位移峰值的變化。碼頭分別加固1層和2層碳纖維布時，海側位移峰值有較大幅度的降低，而當它加固3層時，面板向海側位移的降低幅度不大。說明隨著加固厚度的增加，位移值的降低速率減小，碳纖維布的使用效率降低。

圖12 EI-Centro波下加固不同厚度碼頭面板向海側位移峰值Fig.12PeakdisplacementofwharfpanelsstrengthenedwithCFRPofdifferentthicknessunderEI-Centrowave圖13 不同加固厚度樁基1-1的樁身相對位移峰值響應Fig.13Peakrelativedisplacementresponseofpilefoundation1-1strengthenedwithCFRPofdifferentthickness

表6 在0.2 g的EI-Centro波下樁頂相對位移及變化率Tab.6 Relative displacement and change rate of pile top under 0.2 g EI-Centro wave

4.2 樁身相對位移的影響

圖14 EI-Centro波下樁基1-1樁身峰值彎矩Fig.14 Peak bending moment of pile foundation1-1 under EI-Centro wave

圖13為對加固不同厚度CFRP的碼頭結構施加EI-Centro波時，樁基1-1的樁身相對位移峰值曲線，樁頂相對位移及變化率如表6所示。由圖表分析可知，各加固方案的樁身相對位移峰值曲線的線型基本相似，數值從樁底到樁頂逐漸增大，在樁頂處達到最大值。此外，加固厚度對樁身下部相對位移的影響不大，其作用效果主要體現在樁基頂部。加固1、2層時，樁頂相對位移降低值較大，而加固3層時變化幅度相對較小，碳纖維布材料的使用效率降低，與以上碼頭面板的側向位移響應結論一致。

4.3 對樁身彎矩的影響

圖14為在EI-Centro波的作用下樁基1-1樁身峰值彎矩響應。各個樁基的樁頂峰值彎矩如表7所示。從圖表中可知不同加固厚度的碼頭結構，自樁底到樁頂，峰值彎矩變化基本一致，彎矩最大的峰值依然出現在樁基頂部。各個樁基隨著加固節點厚度的增加，峰值彎矩逐漸減小。碳纖維布加固1、2層時，對彎矩值的作用效果和效率相對比較明顯，而加固3層時的變化幅度較小，這是由于加固2層CFRP時，混凝土樁基節點已具有較大的強度和剛度，來提供約束力。因此針對本文的碼頭結構，兩層碳纖維布的加固最優。

表7 EI-Centro波下樁基樁頂峰值彎矩值及變化率Tab.7 Peak bending moment and change rate of pile top under EI-Centro wave

5 結論

本文通過建立非線性有限元模型，研究了碳纖維布的加固部位、加固厚度等不同加固參數對結構動力響應的影響，分析加固前后高樁碼頭面板和樁基的位移、彎矩、加速度變化規律。得出以下結論：

(1)通過對比碳纖維布加固前后的結構地震動力響應，研究發現加固后的碼頭水平位移和面板加速度減小。在相同的地震波作用下，樁身的相對位移減小，樁頂峰值彎矩也明顯減小，說明CFRP加固方式非常有效，可顯著提升碼頭的抗震能力，可應用于實際工程；

(2)對于碳纖維布僅加固碼頭樁基樁頂部位的方案，對提升碼頭整體的抗震性能十分有限，而加固樁基節點的方案可以十分有效地降低碼頭面板的水平位移和樁身樁頂處的彎矩值，提升碼頭的抗震能力；

(3)增加碳纖維布加固的厚度可以提升結構的剛度，降低結構在地震波作用下的位移和彎矩值，加固厚度的增加和強度的提高之間并不存在線形關系，在考慮材料加固成本和提升效果的情況下，存在一個最優加固厚度，對于本文的碼頭結構，加固兩層碳纖維布是最優的。