船舶撞擊荷載下樁基-重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)響應(yīng)分析

李 歡

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心,上海 200061)

隨著大規(guī)模的建設(shè)，近海岸線資源已基本開發(fā)殆盡，船舶向大型化、專業(yè)化發(fā)展，開敞式深水碼頭的建設(shè)已成為水運(yùn)工程發(fā)展的方向。開敞式碼頭所處的外海深海水域浪大流急，海上施工環(huán)境惡劣，為解決這一問題，張志明[1]提出了樁基-重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)。這一新型結(jié)構(gòu)是下部重力式沉箱與上部透空樁基承臺的組合結(jié)構(gòu)，在深水開敞海域具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

學(xué)者們對樁基-重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)開展了一系列研究。盧生軍等[3]利用ANSYS有限元軟件對復(fù)合結(jié)構(gòu)碼頭的內(nèi)力進(jìn)行數(shù)模分析，指出樁基與沉箱的連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意；李歡等[4]對樁基-重力式靠船墩結(jié)構(gòu)抗震特性進(jìn)行研究，樁基與墩臺連接部位較樁基與沉箱連接部位更易遭到破壞，且通過損傷耗散確定結(jié)構(gòu)的破壞方式為脆性斷裂；Fan等[5]建立有限元模型以船舶荷載作為主要控制荷載，對重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明，該平臺與保護(hù)系統(tǒng)的連接處應(yīng)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，保證足夠的延展性，防止脆性破壞。

連接節(jié)點(diǎn)處受力集中、應(yīng)力大，且涉及兩種材料之間的連接，是該結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵和薄弱的部位。因此，研究樁基-重力式復(fù)合結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下連接節(jié)點(diǎn)的受力特性，分析不同構(gòu)造措施連接節(jié)點(diǎn)的水平承載特性十分必要。本文利用ABAQUS軟件建立樁基-重力式靠船墩模型，分析連接節(jié)點(diǎn)在船舶撞擊荷載下的響應(yīng)，并研究不同因素的影響。

1 計(jì)算模擬

依托大連新港續(xù)建30萬噸級(兼靠45萬噸級)的進(jìn)口原油碼頭工程進(jìn)行改進(jìn)，樁基-重力式靠船墩結(jié)構(gòu)見圖1。選取30萬噸級油船為設(shè)計(jì)船型，綜合考慮船舶在靠岸過程橫移的附加水體質(zhì)量，通過增大船體的密度建立有限元模型，取船舶尺寸為167 m×60 m×31.2 m(長×寬×高)。防沖板尺寸為7 640 mm×3140 mm×30 mm(長×寬×厚)，橡膠護(hù)舷采用SUC2500H標(biāo)準(zhǔn)反力型兩鼓一板橡膠護(hù)舷。根據(jù)美國ASCE手冊《船舶靠泊、系泊及維修設(shè)施設(shè)計(jì)》[6]，對于大型船舶，船舶法向靠岸速度為0.09～0.15 m/s，本文選取極端情況0.15 m/s進(jìn)行分析。

圖1 樁基-重力式靠船墩結(jié)構(gòu)(高程：m；尺寸：mm)

1.1 材料參數(shù)

在計(jì)算模型中，墩臺和沉箱采用C40混凝土，鋼管內(nèi)核心采用C50混凝土，并采用塑性損傷模型[7]來定義混凝土材料的塑性破壞準(zhǔn)則。圓鋼管采用Q345鋼，采用雙折線模型，其屈服強(qiáng)度為335 MPa，極限屈服強(qiáng)度為536 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.099 2。基床拋石和沉箱拋石采用線彈性模型，巖基采用Mohr-Coulomb模型，黏聚力為16.26 MPa，內(nèi)摩擦角為55°。

船舶采用實(shí)體單元，選用線彈性材料模型，密度為975.29 kg/m3。防沖板采用Q235鋼材，抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa，抗剪強(qiáng)度為125 MPa，彈性模量為206 GPa，屈服應(yīng)力為235 MPa，泊松比為0.3。橡膠護(hù)舷選取含有2個(gè)參數(shù)的Mooney-Rivlin模型，Rivlin系數(shù)C10=2.02、C01=0.02。

1.2 單元類型和網(wǎng)格劃分

單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分對數(shù)值分析結(jié)果可靠性具有影響[8]。本文模型采用線性減縮積分單元(C3D8R)，適合于接觸分析，計(jì)算時(shí)間少，當(dāng)模型發(fā)生較大變形時(shí)，對位移的求解結(jié)果較為精確。處理模型時(shí)對連接節(jié)點(diǎn)局部的網(wǎng)格劃分進(jìn)行加密，整個(gè)有限元模型包含4萬～5萬個(gè)單元。

1.3 接觸設(shè)置

ABAQUS中通常采用“硬接觸”與綁定約束兩種接觸設(shè)置[9]，橡膠護(hù)舷與防沖板和墩臺、鋼管樁與防沖板和墩臺采用綁定約束，其余部件采用“硬接觸”。

1.4 模態(tài)分析和阻尼計(jì)算

采用Lanczos方法進(jìn)行模態(tài)分析[10]，在結(jié)構(gòu)振動中，高階模態(tài)能量占比較低，不容易被激發(fā)，故取前5階模態(tài)見表1。1～3階振型的頻率相差不大，說明結(jié)構(gòu)的剛度分布均勻，整體性較好。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)尤其避免頻率在0.636～1.021 Hz。

表1 樁基-重力式靠船墩模態(tài)分析

根據(jù)瑞利阻尼[11]，工程上對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般取第i、j階阻尼比ξi、ξj均為0.05，阻尼部分在系統(tǒng)響應(yīng)的低頻段起主導(dǎo)作用，兩個(gè)振動頻率的范圍選取0.636 ～1.021 Hz頻段，則ωi=3.997、ωj=6.416(ωi、ωj為結(jié)構(gòu)的第i、j階的角頻率)，得到阻尼系數(shù)α=0.246 2、β=0.009 6。

2 連接節(jié)點(diǎn)響應(yīng)分析

模擬船舶沿X向以0.15 m /s速度靠泊撞擊樁基-重力式靠船墩，分析連接節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)分析。由于結(jié)構(gòu)及荷載施加的對稱性，取1#、2#、4#、6#、7#連接節(jié)點(diǎn)為研究對象。定義沉箱頂面高程為0 m，取沉箱頂面靠海側(cè)前沿單元分析連接節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，取樁身靠海側(cè)前沿單元樁身響應(yīng)。

2.1 位移響應(yīng)分析

船舶以X向靠泊撞擊靠船墩，連接節(jié)點(diǎn)X向位移時(shí)程曲線見圖2a)，連接節(jié)點(diǎn)的位移隨著時(shí)間的增加先增大后減小，當(dāng)船舶與橡膠護(hù)舷分離后，連接節(jié)點(diǎn)的殘留位移很小，最終位移隨著結(jié)構(gòu)的自由振動產(chǎn)生小幅度的波動。樁身X向位移響應(yīng)見圖2b)，各個(gè)鋼管混凝土樁的位移隨著高度的增加而增大，增長速率由小變大再變小，鋼管混凝土樁與上下結(jié)構(gòu)的固接連接，增加了中部群樁的整體剛度。前排樁的位移發(fā)展速率大于后排樁；樁頂?shù)奈灰浦迪嗖畈淮螅f明上部結(jié)構(gòu)呈沿X向水平平動。

圖2 連接節(jié)點(diǎn)與樁身X向位移響應(yīng)

2.2 應(yīng)力響應(yīng)分析

樁基-重力式靠船墩最大主應(yīng)力云圖見3。由圖3a)可以看出，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，最大主應(yīng)力主要集中在樁與墩臺和沉箱的連接處，對于同一根樁，樁與墩臺連接處的后側(cè)及樁與沉箱連接處的前側(cè)應(yīng)力最大；由于鋼材的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土，因此，墩臺與沉箱的最大主應(yīng)力比鋼管樁小近一個(gè)數(shù)量級。隱藏鋼管后輸出的最大主應(yīng)力云圖見圖3b)，同樣是墩臺和沉箱與樁連接處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力最大值3.569 MPa，即鋼管內(nèi)的核心混凝土及沉箱混凝土均進(jìn)入塑性損失階段。

圖3 樁基-重力式靠船墩最大主應(yīng)力云圖

2.3 損傷響應(yīng)分析

損傷發(fā)展時(shí)程曲線可以描述連接節(jié)點(diǎn)單元損傷嚴(yán)重程度以及損傷的發(fā)展過程,連接節(jié)點(diǎn)損傷發(fā)展時(shí)程曲線見圖4。由圖4a)可看出，1#連接節(jié)點(diǎn)沉箱單元出現(xiàn)損傷時(shí)間最早，最終受拉損傷系數(shù)最大，損傷最嚴(yán)重。損傷系數(shù)時(shí)程曲線出現(xiàn)峰值平臺逐步躍升，在平臺階段，裂縫進(jìn)行張開與閉合，損傷系數(shù)不發(fā)生變化；隨著荷載逐步施加，損傷逐漸積聚，裂縫不斷增長和發(fā)展，當(dāng)累計(jì)損傷效應(yīng)達(dá)到一定水平時(shí)，損傷系數(shù)會從一個(gè)峰值漲到另一個(gè)峰值，直到損傷增大到一定極限值時(shí)，最終發(fā)展成貫通結(jié)構(gòu)的宏觀裂縫，造成結(jié)構(gòu)完全破壞。由圖4b)可看出，前排連接節(jié)點(diǎn)核心混凝土單元出現(xiàn)損傷時(shí)間早于中、后排，且最終受拉損傷系數(shù)大于中、后排。相比于沉箱單元，核心混凝土單元出現(xiàn)損傷時(shí)間早，但沉箱單元最終損傷更嚴(yán)重。

圖4 連接節(jié)點(diǎn)損傷發(fā)展時(shí)程曲線

3 影響因素分析

3.1 埋入深度

建立埋入深度分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2和2.4 m的有限元模型。不同埋入深度的連接節(jié)點(diǎn)特性見圖5。可以看出，位移時(shí)程響應(yīng)呈現(xiàn)的規(guī)律是一致的。隨著埋入深度的增加，對樁的嵌固能力增大，連接節(jié)點(diǎn)的位移峰值逐漸減小；當(dāng)埋入深度超過1.2 m(1倍樁徑)后，位移峰值相差不大，再增加埋入深度，對位移極值影響不大，因此，樁的埋入深度不應(yīng)小于1倍樁徑。同時(shí)，樁的埋深對沉箱單元的影響略大于核心混凝土單元的損傷，但影響程度均很小，隨著埋入深度的增加，其損傷略微減小。

圖5 不同埋入深度的連接節(jié)點(diǎn)特性

3.2 樁徑尺寸

建立樁徑尺寸分別為1.2、1.4、1.6、1.8和2.0 m的有限元模型。不同樁徑尺寸的連接節(jié)點(diǎn)特性見圖6。可以看出，隨著樁徑的增大，連接節(jié)點(diǎn)的位移極大值越小；當(dāng)樁徑大于1.8 m后，連接節(jié)點(diǎn)位移極大值減小的幅度變小。隨著樁徑尺寸的增大(取1#和7#連接點(diǎn)作為研究對象)，連接節(jié)點(diǎn)單元的損傷發(fā)展峰值減小，最終損傷破壞越小，當(dāng)樁徑尺寸達(dá)到2.0 m，僅有1#連接節(jié)點(diǎn)的核心混凝土產(chǎn)生小范圍低程度受拉損傷。

圖6 不同樁徑尺寸的連接節(jié)點(diǎn)特性

3.3 鋼管壁厚

建立鋼管壁厚分別為30、35、40、45和50 mm的有限元模型，不同鋼管壁厚的連接節(jié)點(diǎn)特性見圖7。可以看出，連接節(jié)點(diǎn)的位移隨著時(shí)間增加先增大后減小，且位移時(shí)程響應(yīng)曲線幾乎是重合的，鋼管壁厚對連接節(jié)點(diǎn)的位移幾乎沒有影響。在鋼管混凝土樁直徑為2.0 m情況下，隨著鋼管壁厚的增加，連接節(jié)點(diǎn)沉箱單元均不產(chǎn)生損傷破壞，1#和7#連接節(jié)點(diǎn)核心混凝土單元受拉損傷系數(shù)峰值減小，當(dāng)鋼管壁厚為50 mm時(shí)，1#和7#核心混凝土單元均不產(chǎn)生損傷，整個(gè)結(jié)構(gòu)都不產(chǎn)生損傷破壞。

圖7 不同鋼管壁厚的連接節(jié)點(diǎn)特性

3.4 沉箱高度

為滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，沉箱高度應(yīng)在9.94～19.94 m之間。建立沉箱高度為10、12、14、16、18 m的有限元模型。不同沉箱高度的連接節(jié)點(diǎn)特性見圖8。可以看出，隨著沉箱高度的增加，連接節(jié)點(diǎn)X向位移峰值越小；當(dāng)沉箱高度為18 m時(shí)，其連接節(jié)點(diǎn)位移極值大幅度減小，相比沉箱高度為10 m時(shí)減小了25%。由圖8b)、c)可看出，隨著沉箱高度的增加，連接節(jié)點(diǎn)單元的損傷發(fā)展峰值減小；當(dāng)沉箱高度為18 m時(shí)，7#連接節(jié)點(diǎn)的沉箱單元受拉損傷系數(shù)峰值迅速下降，而其他位置受拉損傷減緩并不明顯。

圖8 不同沉箱高度的連接節(jié)點(diǎn)特性

綜合上述因素影響，在每一種沉箱高度情況下進(jìn)行試算，對比在滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及位移、應(yīng)力要求的基礎(chǔ)上，采用連接節(jié)點(diǎn)恰好不產(chǎn)生損傷破壞的有限元模型。發(fā)現(xiàn)鋼材的價(jià)格在費(fèi)用中起控制作用，通過擴(kuò)大樁徑尺寸和鋼管壁厚來降低連接節(jié)點(diǎn)損傷破壞的措施是不經(jīng)濟(jì)的，提高沉箱的高度來降低連接節(jié)點(diǎn)損傷更為經(jīng)濟(jì)合理。

3.5 構(gòu)造措施

建立底部加強(qiáng)環(huán)式、外加強(qiáng)環(huán)式、栓釘式、加勁肋板式連接節(jié)點(diǎn)局部有限元模型，不同構(gòu)造措施的連接節(jié)點(diǎn)見圖9。采用荷載控制方法，在結(jié)構(gòu)底部施加約束，在樁頂逐步施加荷載。為對比不同構(gòu)造措施連接節(jié)點(diǎn)的承載特性，定義以連接節(jié)點(diǎn)單元開始產(chǎn)生破壞的荷載為承載荷載，以沉箱單元損傷突變時(shí)荷載為極限荷載。

荷載-受拉損傷系數(shù)對比見圖10。可以看出，不同構(gòu)造措施連接節(jié)點(diǎn)單元的損傷系數(shù)均隨荷載增加表現(xiàn)出峰值平臺的逐步躍升，采取構(gòu)造措施的連接節(jié)點(diǎn)的核心混凝土單元產(chǎn)生損傷破壞的荷載開始增大，可以有效減輕核心混凝土單元的損傷破壞；沉箱單元產(chǎn)生突變的荷載也增大。采取構(gòu)造措施的連接節(jié)點(diǎn)可以明顯提高連接節(jié)點(diǎn)的承載荷載，改善連接節(jié)點(diǎn)的極限承載能力。

圖9 不同構(gòu)造措施的連接節(jié)點(diǎn)(單位：mm)

圖10 荷載-受拉損傷系數(shù)對比曲線

4 結(jié)論

1)對樁基-重力式靠船墩非線性模型進(jìn)行模態(tài)分析及阻尼計(jì)算，其低階振型的頻率相近且較低，低階振型主要表現(xiàn)為上部墩臺和樁基的平動，高階振型主要為中后排樁的扭動，結(jié)構(gòu)剛度分布均勻且整體性較好。

2)連接節(jié)點(diǎn)主要產(chǎn)生X向的速度與位移，前排連接節(jié)點(diǎn)的位移峰值大于后兩排；應(yīng)力響應(yīng)分析中，最大主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在前排樁與沉箱交接處前側(cè)，且前排連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力發(fā)展速度及最終損傷均大于后兩排。

3)樁的埋入深度應(yīng)不小于1倍樁徑，當(dāng)埋入深度超過1倍樁徑后，增大埋入深度對改善連接節(jié)點(diǎn)受力特性效果不明顯；增大樁徑尺寸是改善連接節(jié)點(diǎn)的受力特性最有效的措施，提高沉箱高度是改善連接節(jié)點(diǎn)的受力特性較為經(jīng)濟(jì)合理的措施。

4)底部加強(qiáng)環(huán)式、外加強(qiáng)環(huán)式、栓釘式和加勁肋板式連接節(jié)點(diǎn)均可以提高連接節(jié)點(diǎn)的承載力，連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置加強(qiáng)構(gòu)造措施，可以在不增大樁徑和沉箱高度、降低造價(jià)成本的基礎(chǔ)上，滿足連接節(jié)點(diǎn)的受力要求。

5)以上結(jié)論僅限于以上數(shù)值分析得出，有待實(shí)際工程驗(yàn)證。