離岸深水全直樁碼頭的地震損傷分析

陳宇 石運東 孫熙平

摘要：全直樁碼頭作為離岸深水海域廣泛應用的一種高樁碼頭結構形式，其抗震性能和地震損傷破壞機理尚未被掌握。采用集中參數模型和附加質量法分別考慮樁一土相互作用和地震動水壓力作用，應用纖維單元模型進行全直樁碼頭結構的地震損傷分析，并定義了基樁構件損傷準則和結構整體損傷準則。對一榀全直樁碼頭進行了強震作用下的損傷分析，結果表明全直樁碼頭結構在不同土層問和土與水問的交界處以及基樁頂部位置的基樁損傷較大，達到嚴重損傷程度;隨著土層剪切波速的減小，結構的地震損傷指數明顯增大，并且改變土層剪切波速會明顯影響基樁的損傷分布模式;當剪切波速為100m/s時，水深變化對碼頭地震損傷影響基本可以忽略;當剪切波速為400m/s時，隨著水深增加，結構地震損傷指數明顯增大。

關鍵詞：全直樁碼頭;地震;損傷分析;纖維單元

中圖分類號：TU473;TU352.1 文獻標志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）01-0111-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.01.013

引言

隨著近海岸建港資源開發飽和，近幾年來港口工程建設向離岸深水域發展。全直樁碼頭依靠波流作用力小、適用于軟土地基、外海施工方便等特點被廣泛應用于離岸深水域的碼頭建設。然而，全直樁碼頭的建設地區不可避免的會位于強地震烈度區，以往的震害資料表明地震作用會引起高樁碼頭結構的基樁發生嚴重損傷。同時，外海復雜的地質水文條件會增加碼頭結構的地震風險性，因此有必要研究全直樁碼頭的損傷破壞機理和失效模式，為改進和完善全直樁碼頭結構的抗震設計提供理論基礎。

為了實現離岸深水域的全直樁碼頭結構的地震損傷分析，首先需在考慮樁一土相互作用和地震動水壓力作用的同時進行結構的彈塑性時程分析。在樁一土相互作用方面，發展了直接法、子結構法和集總參數法，其中集總參數法因概念清晰、計算高效被廣泛應用于結構的地震時程分析。在地震動水壓力作用方面，發展了輻射波浪理論和Morison方程，其中小直徑樁的地震動水壓力作用可通過附加質量法加以考慮。在結構的彈塑性時程分析方面，根據數值模擬方法不同，可分為實體單元模型、塑性鉸單元模型和纖維單元模型等，其中纖維單元模型能以較低的計算成本獲得很高的求解精度。其次需建立材料和構件損傷準則，鋼結構構件由均一材料組成，通過材料損傷的情況可直接定義構件損傷模型。最后需建立結構整體損傷準則，目前結構整體損傷準則的定義通過構件損傷的加權組合來反映結構的損傷狀態，并且需確定結構的損傷失效部位，從而掌握結構的失效模式。

綜上，本文結合樁一土相互作用模型和動水壓力作用模型，建立了離岸深水全直樁碼頭的地震損傷分析方法，并對一榀全直樁碼頭結構進行了強震作用下的彈塑性時程分析。從材料、基樁構件、整體結構方面對碼頭結構進行了地震損傷分析，并確定了地震作用后結構的性能狀態;此外，以土體剪切波速和水深為變量進行了結構地震損傷分析，研究了土體剪切波速和水深對全直樁碼頭結構地震損傷和失效模式的影響規律。

文獻[12]給出了鋼材低周反復試驗的損傷演化過程，并對鋼材損傷指數進行線性回歸分析，如圖1所示。根據線性回歸分析得到的擬合曲線與損傷演化曲線的交點為節點劃分鋼材的損傷等級，同時參考文獻[13]中的等級劃分方法，將鋼材的損傷等級劃分為輕微損傷、中等損傷、嚴重損傷和完全破壞，具體定義如表1所示。

1.2基樁構件損傷準則

采用纖維單元模型的基樁構件，可將每個構件離散為若干個構件單元，每個構件單元截面離散為若干個纖維。借鑒文獻[9]中的方法，以構件單元中各個纖維的損傷指數加權平均定義構件單元的損傷指數，同時定義基樁構件損傷指數為每個構件單元損傷指數的最大值。由此定義基樁構件損傷準則表達式為

1.3全直樁碼頭結構整體損傷準則

基樁為全直樁碼頭的豎向受力構件，借鑒文獻[14]框架結構的地震層損傷準則的思想，以基樁損傷指數平均值作為全直樁碼頭結構的地震整體損傷準則，其定義為

2有限元模型的建立

2.1樁一土相互作用模型

文獻[15]表明改進的Penzien集中質量模型計算效率高，參數選取簡單，并且可以較好地考慮樁一土相互作用后結構的動力特性變化，其模型通過水平彈簧和阻尼器來模擬樁與土之問的相互作用，并在樁周土之問增加土的剪切彈簧和阻尼器，計算時地震動從基巖位置輸入，其計算模型如圖2所示。各土層樁-土相互作用的水平彈簧剛度Khi計算公式如下：

2.2地震動水壓力作用

地震作用下全直樁碼頭基樁屬于小直徑柱體，而小直徑柱體的地震動水壓力作用效應可以采用Morsion方程進行求解。Morison方程假定小直徑柱體受到的地震動水壓力由慣性力和阻尼力線性疊加組成，同時忽略結構對水體運動產生的影響，認為水對結構的作用由未受擾動的加速度場和速度場分別引起的沿水體運動方向作用于結構上的慣性力和阻尼力組成。水對單位長度柱體動水壓力作用的計算公式為

2.3結構模型及模型參數

所分析結構為某港一榀離岸深水全直樁梁板式碼頭，碼頭排架首尾樁中心距為36m，4根基樁均采用壁厚為20mm，Ф1800mm的Q345鋼管樁，樁基自由高度為32.5m，人土深度為44.5m，碼頭面板由鋼筋混凝土板制成，板厚為500mm，碼頭結構排架尺寸如圖3所示。碼頭面設計均布面荷載為30kPa。碼頭所處水域設計高水位為3.82m，所處地質參數如表2所示。

采用LS-DYNA有限元程序中的纖維單元模型模擬碼頭結構排架的基樁構件，基樁沿軸向離散成154個梁單元，每個梁單元長度為0.5m，梁單元橫截面離散成36個鋼纖維，每個鋼纖維的材料模型采用1.1節所述的鋼材損傷本構模型。碼頭結構橫梁采用梁單元模擬，其材料采用彈性模型模擬，面板按等效質量分布在橫梁上，面板設計荷載按線荷載作用在橫梁上。采用2.1節的樁一土相互作用模型模擬1-4層土與樁相互作用，由于第五層土為非常密實粉砂，可作為持力層，因此在第五層土頂部樁基位置設置固定端，其考慮樁一土相互作用的碼頭結構有限元模型如圖4所示。樁一土相互作用模型參數可通過式（4）-（7）和表2計算得到。根據式（11）可計算得到每根基樁每米動水壓力附加質量為2606kg。

3全直樁碼頭的地震損傷分析

強震作用下碼頭結構往往發生較為嚴重的破壞，為了分析強震作用下全直樁碼頭結構的地震損傷情況，本文按文獻[19]方法合成3條人工基巖地震動，如圖5所示，峰值加速度為0.6g，該地震等級在《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）屬于強震范圍。

將上述3條人工地震動從全直樁碼頭的基樁底部和基礎土體底部沿排架方向單向輸入。圖6給出了地震動1作用下全直樁碼頭的損傷云圖。從圖中可以看出，4根基樁的損傷分布模式基本相同，在基樁頂部、第一層土上部的基樁發生明顯損傷，在第一層土體中點位置附近以下的基樁均發生明顯屈服，土層交接處的基樁損傷指數較大，第一層與第二層土交界處的基樁損傷最大。地震動2和3作用下其損傷分布模式與圖6基本一致，由于篇幅有限在此不再列出。

由于碼頭排架為對稱結構，1#和4#基樁、2#和3#基樁對應位置基樁單元損傷基本一致。以1#和2#基樁為例，分析基樁的損傷演化過程。提取3條地震動作用下1#和2#樁頂部和土層交接位置的基樁單元損傷指數，如圖7所示（圖中基樁單元號位置如圖6所示）。從圖7（a）中可以看出，地震動1作用下1#基樁238和2#基樁271號單元在7s左右首先出現損傷，隨著地震動的持續，所示單元逐漸出現損傷，當加速度在8s左右出現峰值時，所示單元損傷指數突增，隨著后續地震動的持續，所示單元損傷持續增大。1#基樁1425，19，238，2311，1751，1953號單元最終的損傷指數分別為0.0108，0.0096，0.0289，0.0211，0.0121，0.0091;2#基樁1449，46，271，2275，1778，1968號單元最終的損傷指數分別為0.0166，0.0116，0.0291，0.0212，0.0121，0.0095。在土層上部，2#基樁較1#基樁相同位置的損傷指數大，其原因是2#基樁上部所分攤的均布荷載大，導致其受慣性力較大;在土層下部，兩個基樁損傷指數基本相同，因此上部荷載情況對土層下部基樁的損傷情況影響較小。同時從圖7（b）和（c）可以看出，地震動2和3作用下其損傷演變過程與地震動1作用下相似，其最終損傷程度有所差別。

提取每根基樁所有單元的損傷指數，按式（3）計算全直樁碼頭結構整體的損傷演化過程，如圖8所示。從圖8中可以看出，地震動1作用下在7-8.5s之問結構損傷迅速發展，這與地震動在此時問內加速度峰值較大相對應，此后在8.5-14.5s之問，結構損傷逐漸累積，地震動輸入結束時，結構損傷指數為0.0290，其結構性能狀態對照表1屬于嚴重損傷。地震動2和3作用下結構最終損傷指數分別為0.0356，0.0342，對應結構性能狀態對照表1均屬于嚴重損傷。

4參數分析

為了掌握全直樁碼頭所處環境中土層性質（剪切波速）和水深對結構的地震致災效應的影響，通過改變土層剪切波速和水深對2.3節中所述全直樁碼頭模型進行損傷分析。

4.1土層剪切波速的影響

為了研究土層剪切波速對結構地震損傷的影響，考慮了4種工況，剪切波速為100，200，300和400m/s。2.3節中的土層參數按等效剪切波速法計算所得的土層等效剪切波速為100m/s。剪切波速為200，300和400m/s工況，沿用2.3節土層分布，每層土的剪切模量均乘以2，3和4得到。輸入地震動采用第3節中的3條人工合成地震動。

圖9給出了地震動1作用下不同土層剪切波速條件下碼頭基樁的損傷云圖。從圖9中可以看出，土層剪切波速為200和300m/s時，基樁損傷發生在第一、二層土交界處、第一層土頂部和基樁頂部;土層剪切波速為400m/s時，基樁損傷發生在基樁頂部，其他部位未發生明顯的損傷情況。同時可以看出，土層剪切波速從100m/s增加到400m/s，基樁損傷出現減小趨勢，其原因是全直樁碼頭為柔性結構，軟土地基會加大柔性結構的地震反應，增加結構的地震風險性。地震動2和3作用下其損傷分布模式與圖9相似，由于篇幅有限在此不再列出。

提取每根基樁所有單元的損傷指數，按式（3）計算不同剪切波速條件下全直樁碼頭結構整體的損傷演化過程，如圖10所示。從圖中10（a）可以看出，地震動1作用下土層剪切波速為100，200，300和400m/s時碼頭結構的最終損傷指數分別為0.0290，0.0185，0.0130和0.0054，對應結構性能狀態分別為嚴重損傷、中等損傷、中等損傷和輕微損傷;地震動2作用下土層剪切波速為100，200，300和400m/s時碼頭結構的最終損傷指數分別為0.0356，0.0150，0.0116和0.0074，對應結構性能狀態分別為嚴重損傷、中等損傷、中等損傷和輕微損傷;地震動3作用下土層剪切波速為100，200，300和400m/s時碼頭結構的最終損傷指數分別為0.0342，0.0177，0.0165和0.0082，對應結構性能狀態分別為嚴重損傷、中等損傷、中等損傷和中等損傷，因此在軟土地基上建設的全直樁碼頭結構的地震風險性高。

4.2水深的影響

為了研究水深對結構地震損傷的影響，考慮了4種工況，水深為0（無水），10，20和30m。地基土等效剪切波速分別選取4.1節的100和400m/s。

圖11給出了地基土等效剪切波速為100m/s時不同水深工況下碼頭結構整體損傷演化過程。從圖11中可以看出3條地震動作用下水深為0（無水），10，20和30m工況，結構損傷過程基本一致，4種工況結構損傷程度基本一致。圖12給出了地基土等效剪切波速為400m/s時不同水深工況下碼頭結構整體損傷演化過程。從圖12中可以看出，地震動1作用下水深為0（無水），10，20和30m工況，結構損傷指數分別為0.0022，0.0046，0.0086，0.0107，對應的結構性能狀態分別為輕微損傷、輕微損傷、中等損傷和中等損傷;地震動2作用下水深為0（無水）、10，20和30m工況，結構損傷指數分別為0.0074，0.0084，0.0091，0.0103，對應的結構性能狀態分別為輕微損傷、中等損傷、中等損傷和中等損傷;地震動3作用下水深為0（無水），10，20和30m工況，結構損傷指數分別為0.0038，0.0040，0.0088，0.0095，對應的結構性能狀態分別為輕微損傷、輕微損傷、中等損傷和中等損傷。隨著水深的增加，結構損傷指數逐漸增加，因此增加水深可加重結構的地震損傷程度。綜上所述，當地基土體較軟時，水深對結構地震損傷程度的影響基本可以忽略，但當地基土體較硬時，隨著水深的增加，結構地震損傷指數顯著增大，其原因是當水深增大時，水體對基樁的動水壓力作用增大，但此壓力可通過基樁傳遞給地基土體，然而較硬的地基土耗能較少，導致基樁吸收較多的振動能量，因此動水壓力的增大會加重處于較硬地基土中的基樁損傷程度。

5結論

采用纖維單元模型對某港一榀離岸深水全直樁梁板式碼頭結構進行地震損傷分析，結果表明強震作用下離岸深水全直樁碼頭結構基樁發生明顯損傷，尤其土層問和土與水問的交界處以及基樁頂部的基樁損傷較大，根據定義的結構性能等級，在0.6g地震動作用下全直樁碼頭達到嚴重損傷程度。通過研究不同水深和土層剪切波速對全直樁碼頭結構地震損傷的影響，分析表明考慮樁一土相互作用，隨著土層剪切波速的減小，碼頭的地震損傷指數明顯增大，并且改變土層剪切波速會明顯影響基樁的損傷分布模式;考慮動水壓力效應時，軟土地基上（等效剪切波速為100m/s）的碼頭結構，水深變化對碼頭地震損傷影響基本可以忽略，但較硬地基上（等效剪切波速為400m/s）的碼頭結構，隨著水深增加，結構地震損傷指數明顯增大。因此實際情況中應根據工程需要，合理考慮樁一土相互作用和地震動水壓力效應。