水平地震下高桩码头结构影响探讨

水平地震下高桩码头结构影响探讨
1.前言
近年来，随着国家经济迅速发展，在各类工程质量方面提出了更高要求及标准。

对高桩码头来说，近几年其结构已经逐渐优化，但是在水平地震作用下仍然存在着一些不太明确问题。

因此为了提升其整体质量以及抗震能力，深入研究以及分析水平地震作用下高桩码头结构响应谱十分必要，体现出重要的现实意义。

2. 振型分解反应谱法
业内在分析水平地震作用下高桩码头结构响应谱时，通常选择振型分解反应谱法进行。

该方法以反应谱法以及振型分解方法作为基础，能够对多自由度状态下地震作用进行计算的方法。

利用该方案计算水平地震作用下高桩码头结构响应时，计算公式是（j=1、2、3、4、5……，n）[1]。

上述式子中，代表i振型中j质点的实际水平地震作用。

β 代表i振型动力的放大系数，代表i振型中j 质点振型的移位，K代表地震系数，代表i振型参与系数，代表j质点内集中的所有重力荷载的标准值[2]。

借由该公式，再根据抗震设计内容中的β谱，即可得到振型质点中水平地震作用最大值，再结合结构力学相关原理，以静力荷载代替地震作用，即可得到各个振型对应下的水平地震作用。

当高桩码头结构处于振动状态时，各个振型对应下的水平地震作用通常不会出现最大值，而其地震作用的效应计算公式是= 。

在该公式中，代表水平地震作用下标准值的效应，而代表j振型内水平地震作用下标准值的效应，通常只能选择前2阶振型和3阶振型[2]。

3. 动力学模型及计算分析
3.1计算出高桩码头结构各项参数
笔者以某高桩码头中排架结构为例，以空间计算模型为主要选择，通过对ANSYS有限元分析软件合理利用，并在此基础上对水平地震作用下高桩码头结构反应进行模拟。

码头PHC桩以及钢筋混凝土都选择线弹性的本构模型，其中C80型PHC桩管的质量密度是2500ρ/（kg·m-3）、弹性模量是3.80E/（107 kPa），泊松比是0.166μ；C35梁的质量密度是2500ρ/（kg·m-3）、弹性模量是3.45E/
（107 kPa），泊松比是0.166μ；C35型面板的质量密度是2500ρ/（kg·m-3）、弹性模量是3.35E/（107 kPa），泊松比是0.166μ。

模型坐标以笛卡尔坐标系为主，以高桩码头结构内部后梁左边下端高程值是零的位置作原点，X轴和码头的纵梁直接平行，而Y轴则和码头面朝上的方向垂直，同时Z轴和码头的横梁平行，并指向于临水端[3]。

图1 水平地震作用下高桩码头结构断面图
3.2计算单元和边界条件
高桩码头的原型结构通常十分复杂，因此本次模型选择其前端排架结构标准段，给予其边界合理简化。

（1）在工程操作实践环节，码头的前端排架以及码头的接岸结构通常选择简支板进行搭接而成，同时在前方排架结构段位置设置一条结构缝。

（2）PHC 桩顶和面板、纵横梁之间必须进行固结处理，桩端选择嵌固点法，基于弹性长桩受弯嵌的固定深度，则以m法进行计算。

除此之外，在排桩的嵌固深度方面，则结合边坡实际回填状况进行计算。

假设粘土层的m值是5000kn/m4，可得知第一排桩的嵌固点和泥面之间的距离可达到 5.8m至6.6m[4]。

对码头纵横梁、PHC桩进行模拟时，通常采取ansys beam188梁单元；而对面板进行模拟时，则采取Ansys单元库壳单元Shell43；对土堆装垂直约束状况进行模拟时，采取Ansys单元库弹簧单元COMBIN14[5]。

4.水平力的作用之下高桩码头结构响应情况
本次研究以Ansys 单点响应谱为主要选择，从码头横梁以及纵梁对其结构段分别开展地震动多点激励活动，即可取得结构段实际扭矩、桩轴力以及桩顶弯矩等结果，详情如图2、图3所示。

图2 水平地震作用下高桩码头桩底的轴向反力
图3 水平地震作用下高桩码头桩顶弯矩
4.1桩轴力
如果水平地震作用力表现为横向状态，在单个排架当中，其后叉桩和前叉桩都会承受较大轴力，而中间部分直桩的桩力则相对偏小，其桩力最大值可以达到599kn，最小值约22.9kn。

高桩码头纵向的排架中，其两端排架上的桩受力状况比中间排架的大出少许[5]。

如果水平地震作用力表现为纵向状态，在单个排架当中，其后叉桩和前叉桩同样会承受较大轴力，中间部分直桩的桩力则相对偏小，其桩力最大值可以达到477.3kn，最小值约6.9kn。

4.2桩顶弯矩
如果水平地震作用力表现为横向状态，在单个排架当中，其后排桩的实际桩顶弯矩会比前排桩的大出少许；如果水平地震作用力表现为纵向状态，在单个排架当中，其后叉桩和前叉桩都会承受较大桩顶弯矩，中间直桩部分桩顶弯矩相对偏小，其两端排架上桩顶弯矩状况比中间排架的对应桩号大出少许。

与此同时，水平地震作用力表现为纵向状态时，各个桩的实际桩顶弯矩都会比横向状态桩顶弯矩大。

5.结束语
水平地震作用下高桩码头结构响应谱分析体现出可行性、科学性、合理性以及必要性特征，受施工環境较为特殊等因素的直接影响，高桩码头结构整体质量会对其安全性、抗震能力等造成直接影响。

鉴于此，为了提升高桩码头结构整体抗震性能，除了需要对振型分解反应谱法进行合理利用之外，还要严格把握高桩码头结构设计程序，通过有效把握水平力的作用之下高桩码头结构响应情况，不断优化水平地震作用下高桩码头结构响应谱分析程序，从而为水平地震作用下高桩码头结构响应谱分析活动的有序开展创造优良条件，最终获取更多经济效益。

【参考文献】
[1]张文敬，张淑华，张淼，喻江.基于桩土相互作用下高桩码头地震响应分析[J].江南大学学报（自然科学版），2014，13（04）：457-462.
[2]陶桂兰，陈祥，王定.高桩码头叉桩布置形式抗震性能分析[J].河海大学学报（自然科学版），2012，40（04）：469-474.。