水平地震作用下全直樁碼頭底梁作用影響分析

汪 雨，孫克俐

（天津大學港口海岸及近海工程系，天津 300350）

引言

全直樁梁板式碼頭具有透空性好、對河流泄洪影響較小、施工速度較快、工程造價較低等優點，在內河碼頭建設中得到廣泛的應用。然而，該結構上的水平力全部由直樁承擔，而直樁抵抗水平力的能力相對較弱；在較大水平力的作用下，結構側向位移可能超過容許值。因此，針對這一系列特點，在該結構基礎上增設底梁形成一種新型結構，可有效提高碼頭結構的整體性及水平承載能力。

近年來，就該結構的靜動力性能已開展了相關研究。在靜力性能方面，任啟江[1]等對比分析了水平撞擊力作用下有無底梁及有無靠船梁全直樁碼頭單橫向排架的受力變形特性；盧陳[2]針對某有底梁全直樁碼頭進行了物理模型試驗，通過相似理論推導和配比試驗確定合適的模型材料，通過分級加載的方式，研究不同大小水平力作用下結構側移和樁身彎矩的變化規律。在動力性能方面，劉曉平[3]等對比分析了有無底梁全直樁結構前三階的振型特點，發現有底梁結構的自振振幅更小、固有頻率更大，結構的整體剛度有所提升，但未對結構的動力性能進行深入探討。

底梁式全直樁碼頭結構在我國主要應用于長江中上游水位差較大的地區，而這些地區也是地震頻發區，但目前關于該種結構抗震性能及其中底梁作用影響的研究相對較少。本文在保持碼頭材料體積基本相同的情況下，分別對全直樁單層梁結構和雙層梁結構進行地震反應譜分析，研究底梁對全直樁碼頭地震響應特性的影響，為工程實踐中該結構的抗震設計提供參考。

1 模型建立

1.1 模型尺寸

本文選取某全直樁碼頭的一個結構段（3 跨4榀排架）作為研究對象，分別建立單層梁和雙層梁全直樁碼頭結構模型，如圖1 和圖2 所示。模型整體坐標為笛卡爾坐標系，x 軸平行于碼頭前沿線，y軸垂直于碼頭面向上為正，z 軸垂直于碼頭前沿線由陸側指向水側。碼頭面頂高程5.0 m，前沿設計底高程-10.0 m，樁底標高為-31.0 m。碼頭結構段長度為26.6 m，橫向排架間距8.2 m，各橫向排架中直樁間距6.6 m；樁基為直徑1.2 m、厚度17 mm 的鋼管樁；面板厚度0.3 m。單層梁結構模型中，橫梁截面尺寸為1.0 m×1.5 m，縱梁截面尺寸為0.8 m×1.4 m。雙層梁結構模型中，底梁位于頂梁下方9 m 處；為保持材料用量與單層梁結構基本相同，頂橫梁截面尺寸縮減為0.8 m×1.2 m，頂縱梁截面尺寸縮減為0.6 m×1.1 m；底橫梁截面尺寸為0.5 m×1.0 m，底縱梁截面尺寸為0.5 m×0.9 m。

圖1 單層梁全直樁碼頭有限元模型

圖2 雙層梁全直樁碼頭有限元模型

1.2 材料參數

本文采用振型分解反應譜法計算兩種結構在水平地震作用下的動力響應。考慮到反應譜法中只有線性行為是有效的，碼頭中鋼筋混凝土結構和鋼管樁均采用線彈性本構模型，構件材料屬性見表1。

表1 結構材料參數

1.3 計算單元及邊界條件

采用殼單元SHELL43 模擬面板，采用梁單元BEAM188 單元模擬縱橫梁和樁基，通過定義截面偏移模擬梁板間的實際相對位置。采用質量單元MASS21 模擬碼頭面上的堆載附加質量（30 kN/m2）。采用垂直于樁軸向的彈簧單元COMBIN14 模擬樁側土對樁的約束作用，根據《港口工程樁基規范》[4]，按地基抗力系數隨深度增長的線彈性地基法—m 法進行模擬。

碼頭結構各構件之間通過共節點實現整體的剛性連接；考慮到樁基為嵌巖樁，故將樁底部設置為固結。

1.4 地震反應譜的選取

本碼頭所在區域地震設防烈度為7 度，場地復雜程度等級為Ⅱ級。結構阻尼比為0.05，水平向地震系數0.1，采用《水運工程抗震設計規范》[5]中的β譜曲線進行水平地震響應分析，反應譜特征周期為0.35 s。

2 底梁作用影響分析

2.1 底梁對結構自振特性的影響

單層梁和雙層梁全直樁碼頭結構前10 階固有頻率隨模態階數的變化曲線如圖3 所示。

圖3 兩種結構固有頻率變化曲線

由圖3 可知，單層梁和雙層梁全直樁碼頭結構的固有頻率變化趨勢基本相似，隨階數遞增均呈分段集中分布。兩種結構的固有頻率在前三階模態的變化幅度均較小，在第三階與第四階模態間均發生明顯躍升，而后隨著模態階數的增加逐步增大。但雙層梁結構的固有頻率明顯大于單層梁結構，隨著階數的遞增，兩種結構固有頻率的差值越來越大。而結構的固有頻率一般與其剛度成正比，可見布設底梁可以顯著提高全直樁碼頭結構的整體剛度。

2.2 底梁對結構位移響應的影響

沿碼頭橫向分別對單層梁和雙層梁全直樁碼頭結構進行水平地震動激勵，并按SRSS 法進行效應組合，得到兩種結構位移響應如圖4 所示。

圖4 水平地震作用下兩種結構的位移響應

由圖4 可知，在相同烈度的水平地震作用下，雙層梁結構最大位移為23.2 mm，相比于單層梁結構的最大位移（35.0 mm）減小了約33 %。兩種結構的最大位移均發生在最左側排架近海側樁基頂部，將該樁命名為1 號樁。兩種結構中1 號樁側向位移沿樁身變化規律如圖5 所示。

圖5 兩種結構樁基位移對比

由圖5 可知，相同地震荷載作用下，單層梁和雙層梁全直樁碼頭結構樁側向位移沿樁深的變化規律基本相似，從樁底到樁頂位移均呈逐漸增大的趨勢，并在樁頂處達到最大值。但相比于單層梁結構，雙層梁結構樁位移的增大趨勢在底梁以上部分明顯減緩；而樁基的側向位移一般與其剛性系數有關：剛性系數越大，側向位移越小[6]。因此，布設底梁可以增大全直樁碼頭樁基頂部的法向位移和轉角位移剛性系數，進而提高上部結構的抗側剛度，有效減小結構的側向位移。

2.3 底梁對樁基內力的影響

在相同烈度的水平地震作用下，單層梁和雙層梁全直樁碼頭結構1 號樁剪力對比見圖6。

圖6 兩種結構樁基剪力對比

由圖6 可知，兩種結構的樁身剪力值在樁頂至底梁上方這一段基本相近；但在底梁下方到泥面這一段，雙層梁結構的樁身剪力值由于在底梁連接處發生突變而大于單層梁結構；在泥面下方，雙層梁結構的的樁身剪力值則明顯小于單層梁結構。

在相同烈度的水平地震作用下，單層梁和雙層梁全直樁碼頭結構中1 號樁彎矩對比見圖7。

圖7 兩種結構樁基彎矩對比

由圖7 可知，兩種結構樁身彎矩均在樁基頂部與泥面附近出現峰值點，其中，雙層梁結構的樁頂彎矩值相比于單層梁結構減小了約40 %，泥面下彎矩峰值減小了約20 %。與單層梁結構不同的是，雙層梁結構樁身彎矩在底梁與樁基連接處附近發生局部突變，出現了一個與樁頂彎矩值大小相近的峰值點。

分析表明：雙層梁全直樁碼頭結構中，底梁與頂梁共同傳遞水平地震力，一方面使得較大的地震力轉變成了較小的分散力作用在樁基上，限制了樁端的剪切變形，使得樁基受力更為均勻，泥面下樁彎矩和剪力均減小；另一方面水平力分散到更低的位置進行傳遞，減小了結構柔度，提高了結構剛度，樁頂彎矩減小。另外，布設底梁會導致樁基與底梁連接處出現剪力突變及彎矩峰值，在結構設計中需要重點關注，保證該處具有足夠的承載能力。

2.4 底梁對橫梁軸力的影響

由分析可知，雙層梁結構中，底橫梁主要起到和頂橫梁共同傳遞水平力的作用。因此，下面取1號樁上部橫梁為研究對象，就增設底梁對于頂橫梁軸力的具體影響進行分析。單層梁和雙層梁全直樁碼頭結構頂橫梁軸力分布如圖8 所示。

圖8 兩種結構頂橫梁軸力對比

由圖8 可知，在相同烈度的水平地震作用下，單層梁和雙層梁結構頂橫梁軸力的變化規律基本相似，由于樁的抗彎作用，兩者的軸力值在樁后均呈急劇減少的趨勢。相比于單層梁結構，雙層梁結構頂橫梁兩端的軸力值明顯減小，而中部的軸力值則有所增大，總體軸力峰值減小了約20.8 %，改善了單層梁結構橫梁兩端軸力明顯大于中間的問題。可見增設底梁后，可以有效減小頂橫梁軸力，使其分布更加均勻，進而對碼頭上部結構受力有利。

3 結語

本文從結構位移、樁基內力、橫梁內力三個方面，對單層梁和雙層梁全直樁碼頭結構進行水平地震作用下的對比分析，得出以下結論：

1）在碼頭材料用量基本相同的情況下，選擇增設底梁的雙層梁結構，可以提高結構的整體剛度，增大結構的自振頻率，有效減小結構側向位移，有利于碼頭的安全使用。

2）增設底梁后，樁頂彎矩值明顯減小，有利于樁頂與橫梁連接接頭處理；但樁基與底梁連接處會出現彎矩峰值及剪力突變，在設計中需重點關注該處樁的承載情況。

3）相比于單層梁結構，雙層梁全直樁碼頭結構的樁基及頂橫梁內力分布更為均勻，有利于充分發揮構件強度，進而提高結構的抗震能力。