地震作用下高樁碼頭安全性評(píng)價(jià)

許海波,沈才華

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

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地震作用下高樁碼頭安全性評(píng)價(jià)

許海波,沈才華

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

摘要：為了研究高樁碼頭在使用過(guò)程中遭受地震災(zāi)害的影響，結(jié)合工程實(shí)際，基于數(shù)值模擬分析技術(shù)，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)時(shí)程分析法對(duì)地震下高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行分析。提出基于裂紋擴(kuò)展深度和裂紋分布范圍兩個(gè)指標(biāo)的高樁碼頭地震災(zāi)害下上部結(jié)構(gòu)4級(jí)安全性評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)不同地震等級(jí)下裂紋擴(kuò)展分析進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：不同地震等級(jí)下采用4級(jí)安全評(píng)價(jià)方法對(duì)高樁碼頭進(jìn)行安全評(píng)估是合理可行的。可以為不同地震等級(jí)下碼頭的受損進(jìn)行評(píng)估，為提前預(yù)測(cè)地震災(zāi)害對(duì)碼頭的損傷程度，改進(jìn)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高樁碼頭；地震災(zāi)害；裂紋；安全評(píng)價(jià)

前言

高樁碼頭是淤泥質(zhì)海岸及河口地區(qū)常見(jiàn)的水工建筑物，使用年限大于15年以上時(shí)，破壞情況一般較為嚴(yán)重，直接影響了碼頭結(jié)構(gòu)安全。因此迫切需要對(duì)這些高樁碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估，以此確定碼頭的損傷程度及維修加固方法，以保證安全生產(chǎn)，促進(jìn)港口健康發(fā)展[1]。

近年來(lái)，許多學(xué)者采用模型試驗(yàn)[2]或數(shù)值模擬對(duì)高樁碼頭進(jìn)行過(guò)檢測(cè)評(píng)估。史青芬等[3-5]基于模糊評(píng)判法，結(jié)合碼頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立評(píng)估模型，通過(guò)層次分析法確定各影響因素的權(quán)重。張戈等[6-8]基于可靠度理論，采用失效概率或可靠度指標(biāo)來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的安全狀況。現(xiàn)有規(guī)范[9]中針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的港口水工建筑物規(guī)定了相應(yīng)的檢測(cè)項(xiàng)目和內(nèi)容，主要從構(gòu)件的破損情況、材料老化程度及性能等方面考慮。文章基于數(shù)值模擬技術(shù)，針對(duì)裂紋擴(kuò)展過(guò)程特性，提出采用裂紋擴(kuò)展深度和裂紋分布范圍兩個(gè)指標(biāo)，建立高樁碼頭地震災(zāi)害下上部結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法，為提前預(yù)測(cè)地震災(zāi)害的損失，改進(jìn)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1高樁碼頭動(dòng)力災(zāi)害數(shù)值模擬技術(shù)理論

1.1動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中建立了有限元系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程:

(1)

有限元分析中常分為直接積分法和振型疊加法，本文采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)時(shí)程分析法。

1.2Rayleigh比例阻尼

結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中，在計(jì)算一般外力作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)起控制作用。

[C]=α[M]+β[K]

(2)

式中，α為質(zhì)量阻尼系數(shù)；中，在計(jì)算一般外力作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)起控制作用。

[C]=α[M]+為剛度阻尼系數(shù)。

如果根據(jù)實(shí)驗(yàn)或者相似結(jié)構(gòu)的資料已知兩個(gè)振型的模態(tài)阻尼比ξi和ξj，則質(zhì)量阻尼系數(shù)、剛度阻尼系數(shù)可由下式求得：

(3)

1.3三維有限元SOLID65單元

SOLID65單元用于含鋼筋或不含鋼筋的三維實(shí)體模型。該實(shí)體模型增加了描述開(kāi)裂和壓碎的性能。本單元最重要的方面在于其對(duì)材料非線(xiàn)性的處理，其可模擬混凝土的開(kāi)裂(三個(gè)正交方向)、壓碎、塑性變形及徐變，還可模擬鋼筋的拉伸、壓縮、塑性變形及蠕變。文章需考慮表1所表示的C1-C4四個(gè)參數(shù)。

表1 Solid65混凝土材料數(shù)據(jù)表

2 工程概況

某碼頭樁臺(tái)寬為9 m×7 m，樁排架間距9 m。PHC管樁直徑1.2 m，壁厚0.15 m，內(nèi)徑0.9 m，截面面積4.95×105 mm2，截面慣性矩6.958×1010mm4，截面模量1.16×108mm3，彈性模量3.5×1010N/m2。考慮的荷載有板上的附加荷載10 kN/m2，板的自重23 kN/m2。地基土特性為淤泥4 m、砂礫9 m、圓礫5 m。

3 基于裂紋擴(kuò)展過(guò)程的高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法

3.1 參數(shù)選擇與確定

根據(jù)工程概況，基于 El Centro7.1級(jí)地震選擇材料及參數(shù)如表2。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)表

3.2建立模型

地層土采用實(shí)際地層，為簡(jiǎn)化計(jì)算，地層模型兩邊界取樁周?chē)?0倍直徑以上，深度取樁底向下3 m。沿縱向輸入地震波，設(shè)置兩側(cè)邊為地震波輸入輸出邊界，前后邊界為Y方向受約束邊界、X和Z方向自由。

3.3 裂紋擴(kuò)展分析

通過(guò)圖2俯視圖觀測(cè)裂紋擴(kuò)展情況。

從地震烈度為8.6度的裂紋擴(kuò)展情況俯視圖2可以看出，裂紋首次開(kāi)裂時(shí)刻為2.04 s，首次開(kāi)裂程度較嚴(yán)重。當(dāng)達(dá)到2.08 s時(shí)，裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到多處梁體，取俯視圖中首次開(kāi)裂的A區(qū)域作放大圖分析。

由A區(qū)域的正視圖3中可以看出，裂紋在2.04 s開(kāi)裂后，裂紋繼續(xù)向上擴(kuò)展。而在左視圖4中可以看出，裂紋在擴(kuò)展到縱梁體頂部后出現(xiàn)多次張開(kāi)、閉合、再?gòu)堥_(kāi)的現(xiàn)象。在2.2 s時(shí)梁體底部出現(xiàn)了綠色、藍(lán)色圓圈，標(biāo)志著這一區(qū)域存在同一點(diǎn)開(kāi)裂多次的裂紋。綠色圓圈表示第二次開(kāi)裂的裂紋，藍(lán)色圓圈表示第三次開(kāi)裂的裂紋，在3.28 s裂紋處于閉合狀態(tài)，且開(kāi)裂至縱梁頂部，底部出現(xiàn)多次開(kāi)裂現(xiàn)象。

3.4 地震動(dòng)力災(zāi)害安全評(píng)估方法

根據(jù)以上工況地震災(zāi)害過(guò)程中碼頭上部結(jié)構(gòu)從開(kāi)裂到破碎的過(guò)程分析可知，在地震動(dòng)力災(zāi)害下可以采用裂紋擴(kuò)展深度和裂紋分布范圍大小作為安全評(píng)估的主要指標(biāo)，因此提出基于地震災(zāi)害破損過(guò)程分析的4級(jí)綜合安全評(píng)估方法。

表3 地震荷載下破損程度評(píng)估等級(jí)表

表4 地震荷載下破損范圍評(píng)估等級(jí)表

注：破碎面積計(jì)算方法：把碼頭上部結(jié)構(gòu)梁與梁中心線(xiàn)劃分成網(wǎng)格狀，只要某個(gè)區(qū)域有裂紋則就算整個(gè)區(qū)域有裂紋，即面積按整個(gè)區(qū)域算。

表5 地震荷載下災(zāi)害安全性綜合評(píng)估等級(jí)表

3.5 實(shí)例分析

表6 工況列表

(1)CW 1.5工況震害破壞等級(jí)評(píng)估分析

圖5顯示裂紋只分布在局部區(qū)域，沒(méi)有出現(xiàn)豎向貫穿梁身的裂紋，破損程度等級(jí)可判定為A級(jí)；在6個(gè)區(qū)域出現(xiàn)裂紋，占到6/49，即12%，20%以下梁上出現(xiàn)裂紋，破損范圍評(píng)估為2級(jí)；綜合安全性等級(jí)為2級(jí)。

(2)CW 3.0工況震害破壞等級(jí)評(píng)估分析

圖6顯示裂紋分布區(qū)域劇增，多數(shù)區(qū)域裂紋豎向貫穿梁體，沿梁軸線(xiàn)方向布滿(mǎn)裂紋，個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的壓碎情況，破損程度等級(jí)可判定為D級(jí)；在40個(gè)區(qū)域均有裂紋，即80%以上，破損范圍評(píng)估為超過(guò)4級(jí)；綜合安全性等級(jí)為4級(jí)。

4 結(jié)論

1)通過(guò)不同工況地震荷載下，同一碼頭裂紋開(kāi)裂程度、分布范圍的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程顯示，對(duì)于碼頭在地震等級(jí)烈度為7.8度時(shí)屬輕微受損、安全等級(jí)2級(jí)；地震等級(jí)烈度為8.6度時(shí)屬?lài)?yán)重受損、安全等級(jí)3級(jí)；地震等級(jí)烈度為9度時(shí)屬特嚴(yán)重破壞、安全等級(jí)4級(jí)，基本需按重建處理；

2)根據(jù)地震災(zāi)害過(guò)程中碼頭上部結(jié)構(gòu)的裂紋開(kāi)裂過(guò)程可以對(duì)未來(lái)可能的某震級(jí)下安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法可以根據(jù)4級(jí)破損程度指標(biāo)和4級(jí)破損面指標(biāo)建立的4級(jí)受損安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，為施工設(shè)計(jì)提供參考，為高樁碼頭動(dòng)力災(zāi)害結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3)研究顯示，基于數(shù)值模擬分析技術(shù)，文章提出的高樁碼頭動(dòng)力災(zāi)害數(shù)值模擬方法可以有效模擬裂紋開(kāi)裂后應(yīng)力狀態(tài)的重新分布，因此可以有效真實(shí)的預(yù)測(cè)碼頭可能出現(xiàn)的破壞動(dòng)態(tài)過(guò)程；基于該方法提出的4級(jí)受損安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是合理可行的。可以為不同地震等級(jí)下碼頭的受損進(jìn)行評(píng)估，為設(shè)計(jì)、后期維護(hù)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[9]JTJ302-2006，《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》[S].

(責(zé)任編輯李軍)

The safety evaluation of high-piled wharf under earthquake action

XU Hai-bo, SHEN Cai-hua

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing 210098, China)

Abstract：In order to study the piled wharf in the influence of earthquake disasters in use process, combination with the engineering practice, based on the numerical simulation analysis technology, the transient dynamic analysis of earthquake under the course calendar piled wharf upper structure crack propagation conditions is analyzed. Based on crack propagation depth and the distribution of crack two indicators of piled wharf upper structure under seismic disasters 4 level security evaluation method, and validated by the crack propagation analysis under different earthquake magnitude. Results show that under different earthquake magnitude 4 safety assessment methods for safety assessment of piled wharf is feasible. To assess the damage to the wharf under different earthquake magnitude, to predict earthquake disasters in advance to the damage degree of wharf, provide a scientific basis for improving design.

Key words：high-piled wharf; earthquake Disaster; crack; safety evaluation

中圖分類(lèi)號(hào)：U656.1+13

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2016)01-0047-06

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.011

作者簡(jiǎn)介：許海波(1989-)，男，江蘇泰興人，碩士，主要從事高樁碼頭安全穩(wěn)定性研究。

基金項(xiàng)目：浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011W03、2015J09)；江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(BK20141419)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014B04914)

收稿日期：