高桩码头结构地震响应分析

高桩码头结构地震响应分析

付东王1，李洪煊2,4，郭兴文3，余代广1，武颖利2

（1．南京市水利规划设计院，江苏南京210022；2．河海大学水利水电学院，江苏南京210098；3．河海大学力学与材料学院，江苏南京210008；4．南京长江河道管理处，江苏南京210011）

摘要：为了研究强震区高桩码头结构在地震动作用下结构的安全性，采用快速拉格朗日时域有限差分法进行地震时程分析，并利用FLAC3D 软件进行某高桩码头数值模拟。结果表明：双向地震动作用下，码头结构产生的水平、竖直残余位移较小；平台纵梁正应力及横梁正应力幅值波动较大，但均在材料的允许强度范围之内；桩体轴力幅值变化较大，但均小于其承载力。从码头结构刚度、强度角度分析，码头结构安全可靠。

关键词：高桩码头；地震响应；结构-地基相互作用中图分类号：TV 312，U 656.1+13

文献标志码：A

文章编号：1002-4972（2011）03-0071-05

Seismic response analysis of high-pile wharf

FU Dong-wang 1,LI Hong-xuan 2,4,GUO Xing-wen 3,YU Dai-guang 1,WU Ying-li 2

(1.Nanjing Water Planning and Designing Institute,Nanjing 210006,China ；2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China ；3.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 210098,

China;4.The Yangtze River Channel Management ，Nanjing Water Conservation Bureau ，Nanjing 210011,China)

Abstract:In order to research the safety reliability of high -pile wharf in highly seismic region,fast

Lagrangian analysis of continua was used for seismic time history analysis and the FLAC3D software was adopted for numerical calculation.The result indicates that the high-pile wharf generates small residual horizontal and vertical displacement;the normal stress amplitude of platform's longitudinal beam and transverse beam waves up and down,but the extreme values are all within the range of allowable strength;and the axial forces of PHC piles also have a great change but all are smaller than the bearing capacity of the PHC piles.In the sight of the stiffness and intensity of the high-pile wharf,it is safe and reliable.

Key words:high-pile wharf;seismic response;soil-structure interaction

2011年3月

第3期总第451期Mar.2011

No.3Serial No.451

水运工程

Port &Waterway Engineering 收稿日期：2010－08－02

作者简介：付东王（1978—），男，工程师，主要从事水运工程、岩土工程设计。

1995年日本阪神地震使得神户港大部分码头结构遭受严重破坏，局部沉箱码头最大水平及竖直残余位移达到5.0m 和3.0m ，沉箱岸壁倾向海测倾角约5°[1]。1976年唐山地震使得天津港海河沿岸20个河岸码头及塘沽新港26个海港码头都遭受不同程度的破坏，造成重大经济损失[2]。继2008年5月12日四川汶川大地震后，积极研究强震区码头结构的抗震安全可靠性，是当前防震减灾科技的重要课题之一。

地震作用下高桩码头结构破坏主要有两种形

式[3]：一是码头结构自身的破坏；二是码头地基土在强震作用下发生液化，土体丧失承载力，导致码头结构的整体破坏。文章主要研究码头结构自身的破坏情况，暂不考虑地基土的液化作用。

地震灾害实例调查表明[4]：高桩码头岸坡的过大变形和不均匀沉降使得桩体水侧陆侧土压力分布改变，从而在桩体中产生较大弯矩，使得桩体在桩帽附近发生弯曲破坏，且土体的负摩擦力使得桩体易产生拉伸破坏。具有斜桩（叉桩）的码头结构较直桩码头结构抗震性好

。

水运工程2011年

码头结构抗震设计常用方法有：反应谱法和时程分析法。反应谱法主要是针对线性系统，时程分析法适合任何非线性系统[5]。从动力输入方法分，时程分析法又分封闭系统的振动问题和开放系统的波动问题[6]。封闭系统的振动问题一般不考虑结构和地基的相互作用或局部考虑，如重力坝抗震设计规范中采用的无质量地基模型，即只考虑地基的刚度，不考虑其质量和阻尼力。该法适用于结构刚度相对较小、输入波频率低、结构尺寸远小于输入波最短波长。开放系统的波动问题将地基作为具有质量、阻尼和刚度的体系来考虑，在模型的底部施加地震波。该法能够考虑地震波在地基当中的传播效应和地震波在人工边界上的反射效应。从能量的角度，对整个模型地基部分施加相同的地震波会导致整个系统能量输入过大，往往计算结果亦偏大许多[6]，所以采用边界输入的方法计算结果更为合理。

文章采用开放系统的波动问题时程分析法，仅在模型的底部边界输入地震波，选用大型岩土软件FLAC3D对某高桩码头结构进行水平地震动、竖直地震动耦合作用下码头结构地震响应分析研究，得到一些有益的认识，可为同类码头结构抗震设计提供参考。

1工程概况及数值模型

1.1工程概况

某内河高桩码头，工程重要性等级、场地复杂程度等级及地基复杂程度等级均为Ⅱ级。码头每个结构段平台尺寸为70.39m×22.0m，共有11根横梁（两边和中间为墩台梁），5根纵梁，2根边梁。墩台梁下部采用混凝土灌注桩，直径1.0m，桩长39.35m，其余横梁下部采用PHC桩，直径0.8m，桩长39.35m，以第⑦层细砂作为桩端持力层。码头上部起吊设施采用钢-混凝土刚架结构形式，刚架具体布置见图1所示，其中岸侧刚架为钢结构，水侧刚架为混凝土结构。荷载主要考虑结构自重、平台堆载、系缆力、行车轮压及刹车力。

1.2数值模型

结合实际并考虑边界效应，三维数值分析模型尺寸为90.7m×102.0m×63.5m，采用空间8节点等参单元划分，共98463个单元，107841个节点。图1为码头结构和周围土体整体三维数值分析模型，其中x方向为码头轴线方向，由北侧指向南侧为正，y方向为垂直码头轴线方向，由水侧指向岸侧为正，z方向为竖直方向，竖直向上为正。

1.3静力边界条件及材料参数

模型底部采用固端约束，侧面法向约束，顶部自由的边界条件。

土体采用D-P本构模型，码头结构及桩体采用线弹性本构模型。土体材料参数由实际工程勘察报告得出，码头结构材料参数参照相应规范取值[7]，具体如表1和表2所示

。

图1码头结构整体数值模型

表1土体材料参数

土层

编号

土层

名称

密度/（g·m-3）C/kPaφ/(°)E/MPaμ1

淤泥质

粉质黏土

1.758.020.016.750.294

2粉砂 1.81 2.028.023.170.272 3粉细砂 1.83 1.032.031.140.255 4

粉砂

夹粉土

1.79

2.030.028.680.275

5粉细砂 1.83 4.032.035.050.260 6粉土 1.77 3.028.026.360.294 7细砂 1.85 1.032.056.270.250

表2码头结构材料参数

材料类别密度/（g·m-3）E/GPaμ

C30灌注桩 2.4530.00.167

C80PHC桩 2.4539.00.167

结构混凝土 2.4530.00.167

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