地震作用下碼頭鋼管樁的損傷演化規律*

錢金煒，陶桂蘭，陳曉軍

(河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

高樁結構柔性較大，在地震作用下易發生變形，尤其是作為承力構件的樁基易發生屈曲，從而導致碼頭結構破壞。結構的破壞程度常采用損傷模型來定量描述。目前，碼頭結構的地震損傷研究內容主要是對結構和構件的震后損傷狀態進行評估[1-3]，對于碼頭結構的損傷演化過程研究得較少。碼頭結構的地震損傷演化規律對于結構抗震性能的判斷，以及高樁碼頭在地震災害下的損傷預測至關重要。本文依托某全直鋼管樁碼頭的工程實例，選擇歐進萍等[4]提出的雙參數損傷模型量化碼頭樁基的損傷程度，分析碼頭樁基在地震作用下的損傷發展過程和演化規律，為高樁碼頭地震損傷評估提供依據。

1 工程概況

某全直鋼管樁碼頭的結構斷面見圖1。碼頭一個結構段長52 m，樁臺寬20 m，橫向排架間距7 m，面板厚0.5 m。碼頭上部結構為鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C30；每個排架下有4根全直鋼管樁，外徑1 000 mm，壁厚10 mm，材料為Q345B鋼，鋼管樁由海側向陸側編號依次為1#～4#。

圖1 高樁碼頭結構斷面(尺寸：mm；高程：m)

2 地震損傷模型

地震損傷模型的提出是用于量化工程結構在地震作用下的破壞程度，不同的損傷模型對損傷指標的定義不同。根據震害調查和抗震試驗研究，對于有穩定岸坡的高樁碼頭，地震作用下，由于碼頭重心在上部梁板上，上部結構受較大的水平地震慣性力，導致下部長樁發生較大變形，高樁碼頭的地震破壞主要發生在下部樁基礎上[5]。

已有研究表明，結構構件在地震作用下的破壞不僅與最大變形有關，還與低周疲勞效應導致的累積損傷有關。對于碼頭樁基而言，樁基的變形響應超過限值，導致結構的突發性破壞；另一方面，樁基的變形沒有達到極限，但在地震的往復作用下樁身產生低周疲勞累積損傷，從而導致結構的破壞。因此，地震工程界提出了能考慮變形與低周疲勞效應共同作用的損傷模型，即雙參數損傷模型。雙參數損傷模型能夠較好地反映結構的破壞機理，通常以位移來表示構件變形，以累積滯回耗能來表示構件由于低周疲勞效應引起的累積損傷，物理意義明晰、形式簡單，因此得到廣泛運用。在此基礎上，歐進萍等提出了鋼結構的地震損傷模型，損傷指標定義如下：

(1)

式中：Xm為結構或構件在地震作用下的最大位移；Eh為結構或構件在地震動時程內的累積滯回耗能，Xm、Eh可通過對結構進行彈塑性時程分析得到；Xu為結構或構件的極限位移；Eu為結構或構件的極限滯回耗能，Xu、Eu可通過恢復力特性曲線求得；β為非線性組合系數，一般性結構取2.0，重要結構取1.0，本文鋼管樁的損傷采用歐進萍損傷模型進行定義，β取1.0。

鋼管樁的極限性能參數Xu和Eu通過擬靜力試驗獲得，本文通過ABAQUS有限元軟件來模擬該試驗。根據《建筑抗震試驗規程》[6]要求，在鋼管樁頂部沿水平方向采用位移控制加載，同時為了模擬鋼管樁的真實受力狀態，在樁頂施加豎向集中力以實現軸壓的作用，限制樁頂的轉動自由度以模擬碼頭上部結構對鋼管樁樁頂的約束作用，采用土彈簧模擬樁土相互作用，通過API規范[7]推薦的循環往復荷載作用下的p-y(反力-變形)曲線來確定彈簧參數，如圖2所示。在樁頂施加逐級遞增的循環往復位移荷載，當某級位移加載下樁頂水平反力小于樁頂最大水平承載力的95%時[8]，認為管樁已達到破壞，該點即為管樁的極限狀態，對應的位移即為鋼管樁的極限位移Xu，如圖3所示(其中Xy為鋼管樁達到屈服點時的樁頂位移)，鋼管樁極限滯回耗能Eu即鋼管樁達到極限狀態時的累積滯回耗能，數值上等于鋼管樁的各級位移加載所對應的滯回環面積之和。

圖2 加載方式

圖3 恢復力特性曲線

3 有限元模型

考慮碼頭結構受橫向地震作用，取一個碼頭排架結構進行彈塑性動力時程分析，并在人工邊界處施加縱向約束，使用ABAQUS軟件建立三維有限元模型見圖4，上部結構采用C3D8R單元，鋼管樁采用B31單元，樁基和上部結構采用embedded約束，鋼材本構采用雙折線隨動強化模型。利用connector連接單元實現p-y土彈簧功能，泥面以下每1 m布置一個連接單元，并將不同深度處土抗力與樁身撓度的數值關系賦予該位置處的連接單元；土彈簧一端固定，一端連接在樁身單元的節點上。模型計算分為兩部分內容：1)對碼頭排架各個單樁進行擬靜力試驗模擬，獲取各樁極限性能參數；2)對碼頭排架結構橫向水平輸入地震波，獲得地震作用下各樁的位移、能量等響應特性。

圖4 鋼管樁碼頭排架有限元模型

本文工程實例的場地類別為Ⅲ類，設計地震特征周期為0.45 s，從文獻[9]介紹的全球性強震動數據庫Cosmos Virtual Data Center database中，挑選出場地條件類似的1999年9月臺灣集集地震的30 s地震波TCU042見圖5。為驗證TCU042地震波滿足場地類別與設計地震分組的要求，對該地震波進行加速度反應譜分析，并與《建筑抗震設計規范》[10]中特征周期為0.45 s的標準反應譜對比見圖6。可知，TCU042地震反應譜與標準譜符合程度較高，滿足《建筑抗震設計規范》要求。為研究樁基在強震作用下的破壞模式，將地震加速度時程按比例進行調幅，得到峰值加速度PGA分別為0.2g、0.4g、0.6g、0.8g和1.0g的地震波來輸入，以反映出不同地震動強度下高樁碼頭的損傷程度。

圖5 TCU042地震加速度時程曲線

圖6 地震影響系數譜曲線

4 計算結果與分析

4.1 鋼管樁恢復力特性

圖7為1#～4#樁靜力試驗模擬得到的恢復力特性曲線。由圖可知，從海側向陸側的1#～4#樁極限位移Xu逐漸減小，極限滯回耗能Eu逐漸增大。從滯回曲線上看，1#～4#樁的滯回環形狀趨于飽滿，說明耗能能力增強；從骨架曲線上看，由海側向陸側，由于樁基的入土深度逐漸增加，樁基初始剛度呈遞增趨勢，最大水平承載力增加，屈服位移減小，骨架曲線左移，說明抵抗位移荷載的能力變差。其中，1#與2#樁恢復力特性接近，這是由于1#樁上部橫梁局部加高，導致兩根樁泥面以上的自由長度相近。

圖7 樁基恢復力特性曲線

4.2 結構動力時程響應

位移與滯回耗能均是用來描述地震損傷的參數，與損傷成正相關，滯回耗能是由于構件產生塑性變形而消耗的能量，故多將滯回耗能視為結構的破壞能量。圖8為碼頭結構在地震作用下的樁頂位移響應和各樁滯回耗能響應。由圖可知，各樁滯回耗能隨著地震時間單調遞增，原因是構件的塑性變形是不可恢復的，使滯回耗能具有累積性。地震前期由于位移較小，各樁均處于彈性階段，累積滯回耗能為零，隨著位移響應的增大，各樁在7.5 s附近先后屈服并產生滯回耗能，各樁滯回耗能的起點對應于圖7各樁的屈服點，標志著樁基開始進入塑性階段。

滯回耗能在樁群中的分配并不均勻，陸側樁的累積滯回耗能大于其他樁，最終達到289 kN·m，占4根樁總累積滯回耗能的46%，這意味著陸側樁在耗散地震能量中發揮了主要作用，因此也更加容易累積損傷。各樁的滯回耗能時程曲線兩邊平穩，中間比較陡，說明滯回耗能的累積主要發生在位移響應較大的地震中期，并且滯回耗能的突增都對應于位移響應的突變，如樁頂位移在8.7、11.2 s附近均發生較大突變，對應各樁的滯回耗能都在該時刻發生突增，說明位移和滯回耗能對于樁基損傷的描述是同步的。

注：PGA=0.8g。

地震作用下，樁身各處的彎矩不斷變化，提取各樁樁身關鍵點的彎矩峰值，如圖9所示。可以看出，各樁彎矩峰值沿高度的變化趨勢是一致的，以4#樁為例，樁身彎矩從樁底先減小后增加，在高程-8.5 m(泥面以下9.2 m)達到峰值，而后在-1.8 m達到谷值，然后迅速增加，在樁頂達到最大值。根據塑性鉸理論，樁身截面彎矩達到屈服彎矩，表示該處進入塑性狀態，截面彎矩超過極限彎矩則可能產生塑性鉸，由圖9可知，各樁頂部2 m左右高度范圍的樁身發展為塑性區，甚至樁頂產生塑性鉸，樁身下部則保持彈性狀態未產生塑性損傷。圖10為樁頂截面的彎矩與剪力時程曲線，可以看出，地震作用下陸側樁(4#樁)的樁頂彎矩與剪力均大于海側樁(1#樁)，說明地震作用下陸側樁的樁身內力較海側樁大；樁頂彎矩時程響應多次達到屈服彎矩，說明樁頂在強震作用下反復進入塑性狀態而累積損傷。

注：PGA=0.8g。

注：PGA=0.8g。

4.3 樁基損傷時程演化規律

圖11為1#～4#樁在地震峰值加速度PGA為0.8g時的損傷演化過程，各時刻樁基的損傷值根據式(1)計算。各樁損傷值隨地震時間的演化均是單調遞增的，這體現了損傷是逐步累積且不可逆的。各個樁的損傷曲線趨勢保持一致，損傷發展主要是在7～20 s地震位移與能量響應最劇烈的時期，但損傷程度各有不同，靠陸側兩根樁的損傷較大，最終損傷值達到0.67和0.56，靠海側兩根樁損傷程度接近，最終損傷值為0.48和0.47，損傷程度只有4#樁的約70%。

注：PGA=0.8g。

各樁損傷值在6～9 s內急劇增加，并且伴隨數次突增，由于該時段內樁頂位移幅值急劇增加，損傷指標中位移項發生突增，見圖12，樁基在短時間內產生大變形導致損傷突增，此后位移項損傷值便增加緩慢。由于地震初期各樁都處于彈性階段，能量項損傷值為零，當位移響應增大并產生塑性變形，樁基逐漸累積滯回耗能，能量項開始逐漸增大，即樁基由于耗能所致的損傷在增加，18.3 s位移響應達到最大值之后，總損傷值的增加全部由能量項貢獻。因此，位移項前期貢獻較大，能量項后期貢獻較大，總體來看，位移損傷的占比要高于耗能損傷。從損傷時程曲線看出，即便在15 s后地震波衰減階段，樁基仍在低幅地震下反復進入塑性而繼續累積損傷，使樁基逐漸失去承載力，最終可能導致整體結構發生破壞。

注：4#樁，PGA=0.8g。

4.4 樁基損傷隨地震動強度的演化規律

圖13為1#～4#樁基隨著地震動強度的損傷演化曲線，各樁的最終損傷值隨著地震峰值加速度PGA增加而增加，并且遞增趨勢逐漸增大。碼頭結構中樁基礎的損傷分布是總體上由海側向陸側樁基損傷逐漸增大，不同地震動強度下陸側樁的最終損傷值始終大于海側樁，說明陸側樁是碼頭結構里最易損傷的構件。各樁在地震作用下具有相同的頂部位移，而由圖7的骨架曲線可知陸側樁的剛度最大，所以陸側樁承擔了更大的水平地震作用力，見圖10b)，樁身內力較大，更容易產生塑性變形，從能量角度，陸側樁在耗散地震能量中發揮著主要作用，因此在強震作用下陸側樁往往是碼頭結構里損傷最嚴重的構件。圖13的損傷演化曲線不僅揭示了碼頭樁基隨著地震動強度變化和樁位不同的損傷演化規律，同時也能用于預測該全直鋼管樁碼頭在某地震動下任一樁基的損傷程度，對碼頭結構在強震作用下的災害預測有較大意義。

5 結論

1)強震作用下，樁基損傷發展主要是在地震響應最劇烈的時期，總損傷值由位移項和能量項構成，位移項前期貢獻較大，能量項后期貢獻較大，總體來看，位移損傷的占比要高于耗能損傷。

2)各樁土層分布與入土深度不同導致恢復力特性有差異，陸側樁抵抗位移荷載的能力較差，屈服位移較小，強震作用下樁身內力較海側樁大，同時也是耗散地震能量的主要構件，因此陸側樁是碼頭結構里損傷最嚴重的構件。

3)碼頭結構中樁基礎的損傷分布是由海側向陸側樁基損傷逐漸增大，各樁損傷隨著地震動強度的增大而增大；該碼頭樁頂部位是塑性發展的區域，樁身下部則保持彈性狀態未產生塑性損傷。