遮簾樁對板樁碼頭地震響應的影響

王翠燕，吳相豪

(上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306)

板樁碼頭由板樁、拉桿、錨碇結構等組成，依靠板樁入土部分土壓力和錨碇結構來保持其整體穩定性。由于板樁強度的限制，只適用于水深不大的中小型碼頭。為了克服這一缺陷，中交第一航務工程勘察設計院提出了遮簾式板樁結構，可作為深水泊位的碼頭結構。遮簾式板樁是指在碼頭前排板樁后方打設一排或多排不連續樁，以遮擋前排板樁的后方土壓力，減小前排板樁的彎矩，改善其受力狀態。目前該新型碼頭結構的設計方法還不成熟，國內許多學者正在開展相關的研究工作，如李景林等[1]運用離心模型試驗技術對采用遮簾樁方案的京唐港14＃、15＃泊位板樁碼頭結構受力狀態和變形特點進行研究；劉文平等[2]對遮簾式板樁碼頭結構進行數值分析，研究碼頭面堆載和剩余水壓力對前墻和遮簾樁彎矩及其軸力的影響；崔冠辰等[3]利用數值分析方法，研究遮簾樁與前墻的距離以及遮簾樁的剛度對碼頭工作性狀的影響，得出墻樁間距增大會削弱遮簾樁對前墻的擋土效果；惠煒等[4]基于平行墻理論及最不利荷載情況下的朗肯主動土壓力理論，推導出遮簾樁后水平土拱拱前自由區及拱后穩定區土壓力表達式，并在此基礎上，根據拱腳水平靜力平衡條件及三角形受壓區強度條件得出遮簾樁合理樁間距的計算式；李勝林[5]根據極限平衡理論提出遮簾樁有效長度的計算方法；蔣建平等[6]運用ABAQUS 軟件研究不同加速度峰值對京唐港32＃遮簾式板樁碼頭地震響應的影響。

綜合分析國內外有關遮簾式板樁碼頭的研究成果可以發現，現有遮簾式板樁碼頭結構性能方面的研究大都基于靜力，抗震方面的研究成果比較少。為此，本文采用數值分析方法對京唐港32＃遮簾式板樁碼頭進行地震響應研究，分析遮簾樁、遮簾樁剛度、遮簾樁與前排板樁間距等對板樁碼頭結構地震響應的影響。

1 工程概況

京唐港32＃碼頭為遮簾式地連墻板樁碼頭所在位置的地基土層為粉細砂層、粉質黏土層以及細砂層。碼頭前沿泥面高程為-16.0 m，頂面高程為4.2 m，前墻高27.0 m、厚1.0 m，遮簾樁橫截面尺寸為2.0 m×1.0 m(長×寬)、間距為2.75 m、高30.0 m，錨碇墻高14.5 m、厚1.2 m，均為鋼筋混凝土構件。連接遮簾樁和錨碇墻的長拉桿直徑為95 mm，連接前墻和遮簾樁的短拉桿直徑為75 mm，拉桿均為Q345鋼棒，拉桿間距約為1.2 m。前墻與遮簾樁之間的距離為3.0 m。碼頭結構如圖1 所示。

圖1 碼頭結構(尺寸:mm；高程:m)

2 有限元分析模型

2.1 碼頭結構模擬及材料參數

采用ABAQUS 軟件建立京唐港32＃碼頭結構二維有限元分析模型，如圖2 所示。土體采用Mohr-Coulomb 模型，選取非對稱求解器進行求解；樁的彈性模量是土彈性模量的200 倍以上，相對來說變形一般不會很大，采用線彈性模型；拉桿采用梁單元進行模擬。由于遮簾樁間距為2.75 m，前墻和錨碇墻均為連續墻結構，故采用剛度等效原則把遮簾樁等效成連續墻，即前遮簾樁的剛度與連續墻的剛度等效。根據京唐港32＃碼頭的地質資料，模型中的材料參數取值見表1。

表1 材料參數

圖2 有限元模型

ABAQUS 軟件在分析時有材料和單元的阻尼、整體阻尼和模態阻尼3 種阻尼引入途徑。本文采用常見的瑞利阻尼，在材料中直接定義。瑞利阻尼是與運動量成正比的單元阻尼矩陣與由內部摩擦而產生的、與應變速度成正比的單元阻尼矩陣C的線性組合[7]，表達式為:

式中:M為單元質量矩陣；K為單元剛度矩陣；α、β分別為與質量、剛度成正比的系數，計算公式為:

式中:ξ為材料阻尼比；ωi、ωj為結構i、j振型的振動頻率。

2.2 模型邊界及地震波輸入

板樁碼頭在進行靜力分析時，一般只截取出較大區域，在邊界上設置固定邊界就能滿足計算要求，但在動力分析中，地震波會在人為截斷處發生反射，造成計算結果失效。目前設置人工邊界的方法主要有黏彈性邊界、無限元邊界、透射邊界和黏性邊界等，本文選用無限元邊界處理地震波的反射問題[8]。

地震波選用EL-Centro 波(標準化處理后，峰值加速度PGA＝1.0 m∕s2)，動力分析時間步為0.02 s，波形見圖3，采用設置加速度邊界條件的方法施加在地基底部有限元與無限元交界面的節點上[9]。

圖3 地震波時程曲線

3 計算結果及分析

3.1 遮簾樁對碼頭結構受力性能的影響

地震作用下無遮簾樁板樁碼頭和有遮簾樁板樁碼頭拉桿、前墻和錨碇墻的力學特性如圖4 所示。可以看出，設置遮簾樁后，板樁碼頭前墻最大正彎矩由874.80 kN·m 減小至99.14 kN·m，減小了775.66 kN·m；最大負彎矩由1 858.0 kN·m減小至758.2 kN·m，減小了1 099.8 kN·m。錨碇墻最大負彎矩由691.9 kN·m 增加至747.6 kN·m，增加了55.7 kN·m。拉桿拉力最大值由1 309.36 kN減小至993.12 kN，減小了316.24 kN。由以上分析可知，遮簾樁對板樁碼頭前墻和拉桿的受力性能影響比較大，可以顯著降低前墻和拉桿的地震響應，對錨碇墻受力性能的影響比較小。

圖4 各結構力學特征

3.2 遮簾樁厚度對碼頭結構受力性能的影響

圖5 為不同厚度的遮簾樁對板樁碼頭結構地震響應的影響。由圖5a)可以看出，在所取遮簾樁厚度范圍內，前沿泥面線高程以下部分的前墻彎矩隨著遮簾樁厚度增加逐漸減小，泥面線以上部分的前墻彎矩隨著遮簾樁厚度增加變化不明顯；由圖5b)可看出，隨著遮簾樁厚度的變化，錨碇墻彎矩無明顯的變化規律，而且遮簾樁厚度的變化對錨碇墻彎矩值影響較小，可見遮簾樁厚度對錨碇墻受力性能的影響不明顯；由圖5c)可看出，遮簾樁厚度對拉桿拉力有一定的影響，隨著遮簾樁厚度的增加，拉桿拉力逐漸減小；當遮簾樁厚度增大到2.8 m 時，拉桿拉力為895.58 kN，繼續增加遮簾樁厚度對拉桿拉力沒有明顯影響。

圖5 不同厚度下各結構力學特征

3.3 前墻與遮簾樁間距對碼頭結構受力性能的影響

地震作用下不同前墻與遮簾樁間距的板樁碼頭拉桿拉力、前墻彎矩及錨碇墻彎矩的分布情況見圖6。可以看出，前沿泥面線高程以上部分的前墻彎矩隨著前墻與遮簾樁間距的增大逐漸增大，前墻與遮簾樁間距對泥面線以下部分的前墻彎矩影響不明顯。隨著前墻與遮簾樁間距的增大，錨碇墻彎矩無明顯的變化規律，而且錨碇墻彎矩值變化不大，可見前墻與遮簾樁間距對錨碇墻受力性能的影響不明顯。在所取間距范圍內，拉桿拉力先是隨間距增大逐漸減小，后是隨間距增大逐漸增大，但拉桿拉力變化極小，前墻與遮簾樁之間間距為4 m 時拉桿拉力最小。

圖6 不同間距下各結構力學特征

3.4 遮簾樁長度對碼頭結構受力性能的影響

地震作用下不同長度遮簾樁的板狀碼頭拉桿拉力、前墻彎矩及錨碇墻彎矩的分布情況見圖7。可以看出，在所取遮簾樁長度范圍內，隨著遮簾樁長度增大，拉桿拉力逐漸減小，但拉力值變化較小。前沿泥面線高程以上部分的前墻彎矩絕對值隨著遮簾樁長度增大逐漸減小，但彎矩值變化較小；遮簾樁長度對泥面線以下部分的前墻彎矩影響不明顯。隨著遮簾樁長度的變化，錨碇墻彎矩無明顯的變化規律，而且錨碇墻彎矩值變化不大，遮簾樁長度對錨碇墻受力性能的影響不明顯。

圖7 不同長度下各結構力學特征

4 結論

1)遮簾樁對板樁碼頭前墻和拉桿的受力性能影響比較大，可以顯著減小地震作用下前墻彎矩和拉桿拉力，對地震作用下錨碇墻的受力性能影響較小。

2)遮簾樁厚度對地震作用下拉桿拉力、前沿泥面高程以下部分的前墻彎矩影響較大，對前沿泥面高程以上部分的前墻彎矩和錨碇墻彎矩影響較小。隨著遮簾樁厚度增加拉桿拉力逐漸減小，但當遮簾樁厚度達到2.8 m 時，繼續增加遮簾樁厚度，拉桿拉力不再減小。前沿泥面線高程以下部分的前墻彎矩隨著遮簾樁厚度增加逐漸減小。

3)前沿泥面線高程以上部分的前墻彎矩隨著前墻與遮簾樁間距的增大逐漸增大，前墻與遮簾樁間距對泥面線以下部分的前墻彎矩影響不明顯。前墻與遮簾樁間距對錨碇墻和拉桿受力性能的影響較小。

4)遮簾樁長度對地震作用下拉桿拉力、前沿泥面高程以上部分的前墻彎矩影響較大，對前沿泥面高程以下部分的前墻彎矩和錨碇墻彎矩影響較小。拉桿拉力、前沿泥面線高程以上部分的前墻彎矩絕對值隨著遮簾樁長度的增大逐漸減小。