波浪荷載作用下外海樁基承臺動力響應研究①

摘 要:海洋開敞式碼頭、海洋平臺等外海樁基承臺得到了越來越廣泛的應用;本文分析了外海樁基承臺動力響應研究的意義;基于ABAQUS軟件中海洋工程模塊的數值模擬，研究了波浪荷載作用下外海樁基承臺的動力響應。

關鍵詞:動力響應樁基承臺波浪荷載

中圖分類號:TU473文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0109-01

1 外海樁基承臺動力響應研究的意義

近幾年，外海樁基承臺(包括海洋開敞式碼頭、海洋平臺)得到了越來越廣泛的應用。

開敞式碼頭一般指建造在沒有人工掩護設施的位于開敞海域的碼頭。隨著運輸船舶大型化的趨勢的迅猛發展，國內一些港口根據船型發展和市場需求規劃建設了不少20萬噸級以上原油、散貨等碼頭(如上海寶鋼馬跡山礦石碼頭)，推動了港口向深水發展。在深水區，建造防波堤的工程費用相當高;隨著船舶尺度加大，碼頭前允許作業波高也有所提高;適合建設大型碼頭的港口岸線資源越來越稀缺。因此，港口為適應大型船舶對水域的要求，越來越多地采取在外海建設開敞式碼頭的解決辦法。

海洋平臺是海洋石油天然氣資源開發的基礎性設施，是海上生產作業和生活的基地。隨著陸上資源的日益枯竭，海洋資源的開發利用己日趨重要。目前我國己建成海洋平臺200余座，水深超過30m的平臺100余座。

但不管是海洋開敞式碼頭，還是海洋平臺，外海樁基承臺所處的海洋環境十分復雜和惡劣，承受著多種隨時間和空間變化的載荷，包括風、波浪、海潮、海流、冰等，其中波浪、風、海流是主因。這種長期、連續的作用會導致樁基承臺在使用過程中發生明顯、持續的振動，從而加劇承臺的疲勞破壞、降低系統的可靠度，甚至影響平臺的正常生產活動。在國內外海洋開發工程中，曾有不少海洋樁基承臺事故，造成了重大的經濟損失和不良的社會影響。尤其是海洋動力因素造成的承臺損毀事故屢屢發生。例如，1968年“Rowlandhorn”號鉆井平臺事故;1969年我國渤海2號平臺被海冰推倒，造成直接經濟損失2000多萬元;1997年渤海4號烽火平臺倒毀;1980年北海Ekofisk油田的AlexanderLKienand號鉆井平臺發生傾覆，導致122人死亡。

由此可見，研究更加安全、經濟、可靠的技術來提高外海樁基承臺的安全性、結構可靠性、延長使用年限、改善樁基承臺作業者舒適感等問題已成當務之急。所以，加強外海樁基承臺在波浪、風等作用下的動力響應及其優化設計的研究具有重要的意義。

目前對外海樁基承臺雖進行了一些研究，但還存在以下一些不足，主要是很少或沒有考慮群樁與海底土的相互作用，雖然陸地上的建(構)筑物中較多地考慮了樁土的相互作用[1-5]。如，有的將樁基承臺在泥面處做固定假設，不考慮泥面下樁和土的影響;有的雖考慮樁土的作用，但僅針對獨樁的情形，沒考慮群樁的情形[6]。波浪、風等作用于承臺結構上導致的長期的振動會使海底樁周土弱化，而樁周土的弱化會使樁的豎向和水平向承載力降低，進而使整個承臺結構的承載性能降低，因此，應該考慮群樁與海底土的相互作用。

2 波浪荷載作用下的響應研究

本文采用的研究方法主要是ABAQUS軟件有限元分析，必要時用大型流體計算軟件Fluent進行配合和補充。獲得的研究成果主要有:

(1)首先獲得了整個樁基承臺結構的自振周期、振型和阻尼等動力特性參數，然后針對典型工況，研究樁基承臺在波浪荷載、承臺上堆載等組合荷載共同作用下的頻域和時域角度的動力響應特性，獲得了承臺的變形和內力變化規律。并分出考慮和不考慮群樁和海底土的相互作用兩種情形進行了比較分析。

(2)研究了群樁和海底土的相互作用特性，獲得了群樁總承載力和變形的變化規律及群樁和海底土的相互影響機理。發現，樁基承臺在波浪荷載作用下，海底土體物理力學性質會出現不同程度的弱化、樁身總側阻力有時會出現一定程度的退化。

(3)進行了高樁墩式承臺、導管框架式承臺、高樁梁板式的動力響應和承載性能的比較。

(4)基于ABAQUS軟件中海洋工程模塊的數值模擬，研究了4×4群樁承臺在波高4.0m、頻率為0.2Hz、作用時間為5s、而波浪荷載為50kN/m2～600kN/m2的波浪作用下的動力響應，發現樁上的最大側向位移隨波浪荷載的增大而增大，即5.37mm～30.85mm。研究了4×4群樁承臺在波高2.0m、頻率為0.2Hz、作用時間為5s、而波浪荷載為200～600kN/m2的波浪作用下的動力響應，發現樁上的最大側向位移隨波浪荷載的增大而增大，即16.16～41.14mm。研究了4×4群樁承臺在波高4.0m、頻率為0.2Hz、波浪荷載為200kN/m2、而作用時間為10s的波浪作用下的動力響應，發現樁上的最大側向位移分別為29.90mm、34.84mm、21.94mm。研究了4×4群樁承臺在波高7.0m、頻率為0.2Hz、波浪荷載為200kN/m2、而作用時間為5s、10s、15s的波浪作用下的動力響應，發現樁上的最大側向位移為33.74mm。

(5)構建了一套基于ABAQUS軟件有限元分析的外海承臺動力響應和承載性能的分析和優化設計系統。

參考文獻

[1]陳龍珠，曹明，陳勝立．樁筏基礎的相互作用系數解法及參數分析[J]．巖土工程學報，2008，30(2):155-159.

[2]蔣建平.大直徑灌注樁豎向承載性狀[M].上海:上海交通大學出版社，2007.1

[3]劉松玉，易耀林，朱志鐸.雙向攪拌樁加固高速公路軟土地基現場對比試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27(11):2272-2280.

[4]蔣建平，高廣運，顧寶和.擴底樁、楔形樁、等直徑樁對比試驗研究，巖土工程學報，2003，25(6):764-766.

[5]蔣建平，高廣運，章楊松.基于現場試驗的樁身總側阻力達到極限后的退化[J].巖石力學與工程學報，2008，27(3):633-642.

[6]王騰，董勝，李華軍.考慮樁土作用獨樁海洋平臺橫向振動特性研究[J].中國海洋大學學報，2004，34(2):318-324.