重力式碼頭地震反應(yīng)分析研究現(xiàn)狀①

叢佩文等

摘 要：過(guò)去經(jīng)驗(yàn)表明，碼頭在地震發(fā)生時(shí)是極易破壞的。該文概述了重力式碼頭地震反應(yīng)分析的理論研究?jī)r(jià)值及工程意義。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，該文綜合闡述了目前數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和方法，并認(rèn)為有限元的數(shù)值模擬可以更有效的對(duì)重力式碼頭抗震進(jìn)行研究。總結(jié)分析了室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬、有限元和離散元的利弊與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭 地震 數(shù)值模擬 有限元

中圖分類號(hào)：TU435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（b）-0065-01

碼頭是國(guó)內(nèi)外交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，并且在國(guó)家經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用。它為船舶提供停靠、裝卸貨物和上下旅客等作用，是港口的主要組成部分[1]。在許多國(guó)家，相比于其它貿(mào)易運(yùn)輸模式，如陸運(yùn)和空運(yùn)，貨物通過(guò)碼頭的貿(mào)易在總量中占主體地位；在這些國(guó)家中，港口往往是區(qū)域經(jīng)濟(jì)中心和物流中心。正因?yàn)槿绱耍切┯捎诘卣疬@種自然災(zāi)害造成碼頭停運(yùn)的經(jīng)濟(jì)損失是極其巨大的。

現(xiàn)今人們普遍承認(rèn)，港口設(shè)施應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)抗震，以保證在強(qiáng)震中的穩(wěn)定性。在過(guò)去幾十年，人們努力去開(kāi)發(fā)合理的方法和規(guī)范去來(lái)分析設(shè)計(jì)碼頭，許多降低地震風(fēng)險(xiǎn)的措施也已落實(shí)。特別是子1995年兵庫(kù)縣南部的阪神地震，人們研究各種案例并利用振動(dòng)臺(tái)、數(shù)值軟件進(jìn)行模擬，并對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震改造。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)中期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越重視港口結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，地震工程的技術(shù)也隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展而獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。特別是日本阪神大地震后，涌出一大批國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究港口抗震問(wèn)題，在最初對(duì)日本神戶重力式沉箱碼頭進(jìn)行了數(shù)值分析，得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合；我國(guó)學(xué)者在這方面也做出了杰出的貢獻(xiàn)，河海大學(xué)劉漢龍教授以應(yīng)變空間的多重剪切機(jī)構(gòu)塑形模型為本構(gòu)關(guān)系，對(duì)神戶港沉箱式碼頭進(jìn)行了非線性動(dòng)力有效應(yīng)力分析，其得到的結(jié)果與地震后實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。劍橋大學(xué)Madabhushi和Zeng通過(guò)離心機(jī)試驗(yàn)對(duì)重力式碼頭擋土墻模型進(jìn)行了三個(gè)動(dòng)力離心機(jī)試驗(yàn)（包括兩種飽和土體和一個(gè)干土體），并將得到的結(jié)果用于研究重力式碼頭擋土墻地震機(jī)理。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)方云教授根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)了重力式碼頭的地基模型，進(jìn)行了一系列的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了地震液化條件下重力式碼頭的變形破壞機(jī)理，并提供重力式擋土墻的改進(jìn)設(shè)計(jì)。大連大學(xué)王桂萱教授探討了應(yīng)用離散元分析方法求解地震荷載下沉箱和背后填土大變形問(wèn)題的可能性，開(kāi)發(fā)了能描述沉箱的平面形狀及沉箱與土體摩擦特性的矩形單元。并通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)例分析了地震時(shí)沉箱碼頭的變形，再現(xiàn)了沉箱碼頭地震災(zāi)害的發(fā)生過(guò)程，為沉箱在地震情況下的大變形分析提供了一種新途徑。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

地基模型是根據(jù)相似原理按照神戶港重力式碼頭的實(shí)際地質(zhì)剖面縮小比例尺設(shè)計(jì)的，幾何模擬系數(shù)為116。試驗(yàn)盒采用透明的有機(jī)玻璃板制成，尺寸為長(zhǎng)200cm、寬40cm、高60cm。在整個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中可以清晰地觀察到地基變形的全過(guò)程。采用一個(gè)裝滿密實(shí)飽和砂土的木盒來(lái)模擬重力式擋土墻，墻后和墻底鋪設(shè)有礫石濾層和疏松的砂層，地基中裝置了許多不同類型的傳感器。為了測(cè)定振動(dòng)液化過(guò)程中擋土墻后土壓力的變化情況，在有些試驗(yàn)中還在擋土墻背安裝了土壓力傳感器。

試驗(yàn)結(jié)果表明：基底土的強(qiáng)度降低和局部液化是擋土墻變形破壞的主導(dǎo)因素。墻后動(dòng)土壓力的增加為擋土墻的運(yùn)動(dòng)提供了條件。在液化條件下重力墩式碼頭地基的運(yùn)動(dòng)以側(cè)向位移為主，重力作用是地基側(cè)向運(yùn)動(dòng)的主要影響因素。減少作用于擋土墻的動(dòng)土壓力和充分填實(shí)基底下的砂土是增加重力墩式碼頭抗震穩(wěn)定性的重要措施。

3 數(shù)值分析

數(shù)值分析方法可以歸納為兩類：（1）連續(xù)介質(zhì)分析方法，包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、無(wú)單元法（Meshless Method）、擴(kuò)展有限元法（XFEM）和比例邊界有限元法（SBFEM）等。（2）離散介質(zhì)力學(xué)方法，包括剛體極限平衡法、剛體彈簧元法（RBSM）、塊體和顆粒體離散元（DEM，如商業(yè)軟件PFC）、不連續(xù)變形方法（DDA）等。

以有限元、有限差分法為主的連續(xù)介質(zhì)分析方法，在處理復(fù)雜介質(zhì)的小變形本構(gòu)行為如非線性、彈塑性、損傷斷裂、流變、動(dòng)態(tài)沖擊、振動(dòng)等問(wèn)題有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。王松采用有限元程序ANSYS對(duì)神戶港沉箱碼頭進(jìn)行全面的計(jì)算分析，先結(jié)合98版水運(yùn)工程抗震規(guī)范對(duì)其進(jìn)行傳統(tǒng)的擬靜力抗震分析，得出現(xiàn)行規(guī)范抗震需要的參數(shù)，之后在剛性地基下對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力有限元分析，并與擬靜力法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)對(duì)沉箱碼頭及背后填土進(jìn)行靜力分析，了解受力機(jī)理，之后進(jìn)行考慮地基填土的動(dòng)力響應(yīng)分析，在考慮地基填土之前先進(jìn)行了自由場(chǎng)地的地震分析，得出場(chǎng)地的卓越周期，與沉箱的基本周期進(jìn)行比對(duì)，排除發(fā)生共振的可能性。然后分別考慮在無(wú)質(zhì)量地基固定邊界和粘彈性邊界兩種條件下的沉箱碼頭的動(dòng)力響應(yīng)，最后將四種邊界條件下得出的變形最大點(diǎn)的加速度時(shí)程進(jìn)行比較，證明粘彈性邊界是目前精度較高的一種邊界。

離散元方法在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)成為巖土工程領(lǐng)域數(shù)值模擬的有效方法。以離散元為主離散介質(zhì)分析方法在解決離散介質(zhì)的破壞、倒塌等大變形問(wèn)題上具有顯著優(yōu)點(diǎn)。王桂萱[2]探討了應(yīng)用離散元分析方法求解地震荷載下沉箱和背后填土大變形問(wèn)題的可能性，開(kāi)發(fā)了能描述沉箱的平面形狀及沉箱與土體摩擦特性的矩形單元。并通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)例分析了地震時(shí)沉箱碼頭的變形，再現(xiàn)了沉箱碼頭地震災(zāi)害的發(fā)生過(guò)程，為沉箱在地震情況下的大變形分析提供了一種新途徑。比較了兩種沉箱模型對(duì)分析結(jié)果的影響，提出了相應(yīng)的方法。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）室內(nèi)試驗(yàn)得出的結(jié)果能夠很好的為數(shù)值模擬做支撐。在重力式碼頭離心機(jī)與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，記錄模型的變形尺度、破壞形式，以此為依據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；然而數(shù)值模擬相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)有著不可忽視的優(yōu)勢(shì)，其耗時(shí)短、經(jīng)濟(jì)成本低，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越傾向于使用這一手段來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震分析。

（2）有限元發(fā)展到如今相對(duì)于離散元有著它的巨大優(yōu)勢(shì)。雖然離散元能從顆粒層面揭示剪切強(qiáng)度和變形的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理，反映顆粒形狀、孔隙率等試樣要素變化對(duì)模擬結(jié)果的影響，但是對(duì)于碼頭結(jié)構(gòu)這種宏觀尺度，計(jì)算效率太低。而有限元?jiǎng)偤脧浹a(bǔ)了這一問(wèn)題，在研究砂土的力學(xué)特征時(shí)，采用的是連續(xù)介質(zhì)理論，可以從宏觀上來(lái)分析碼頭總體的力學(xué)響應(yīng)，在分析碼頭地震響應(yīng)破壞問(wèn)題及其穩(wěn)定性分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓理安，席玉耀.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 王桂萱，陳雄，宋力.地震荷載沉箱碼頭大變形分析的離散元法初探[J].海洋工程，2004（22）：131-136.