高樁碼頭PHC管樁抗震性能研究*

王紹君，李翠楦，趙 健

(1.哈爾濱工業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090； 2.黑龍江省寒區軌道交通工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150090； 3.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，沿海地區高樁碼頭逐漸用大型預應力混凝土管樁或鋼管樁替代截面較小的樁，從而形成管樁碼頭。其中，預應力高強鋼筋混凝土管樁，即PHC(pre-stressed high-strength concrete)樁被廣泛應用。然而，我國沿海地區處于環太平洋地震帶，面臨地震災害的嚴峻考驗。港口碼頭是水上交通樞紐，在國家經濟發展中的地位舉足輕重，一旦遭受地震破壞，將嚴重影響其正常使用以及經濟貿易的正常發展。

近年，國內外學者針對高樁碼頭和PHC管樁地震響應進行了大量研究。Shahrour等[1]開展了多種樁組合的離心機模型試驗，研究發現雖然微傾斜樁斜度增強了群樁的剛度，降低了地表下樁身彎矩，但增加了承臺交界面處斜樁彎矩。Yan等[2]采用二維有限差分程序FLAC對高樁碼頭進行地震反應分析，揭示了強震下高樁碼頭結構性能影響因素。洪亞東等[3]采用Pushover方法，考慮樁-土相互作用，研究不同加載模式對高樁碼頭抗震性能的影響。徐曉哲[4]研究了PHC管樁的破壞特征、承載力、滯回性能、剛度退化、耗能能力等抗震性能指標，對比分析了樁身填芯和非預應力鋼筋對預應力的影響規律。王文進[5]研究了PHC管樁在地震下的破壞模式和受力特征，分析了增加體積配筋率、摻入鋼釬維、混合配筋和填芯之后管樁的抗震性能。王鐵成等[6]分別從滯回耗能延性和承載力等幾個方面研究預應力混凝土管樁(PHC管樁)、預應力鋼纖維高強混凝土管樁(SFPHC管樁)、添加普通鋼筋的預應力高強混凝土管樁(PRC管樁)的抗震性能，以及填芯對管樁抗震性能的影響效應。邸昊[7]通過低周往復加載試驗和數值模擬，研究PHC管樁的延性和耗能能力。

本文基于某高樁碼頭實例，建立了高樁碼頭PHC管樁地震反應分析數值模型，開展PHC管樁樁徑、樁長、樁截面等不同工況對PHC管樁抗震性能影響的研究，以期為我國沿海地區高樁碼頭PHC管樁強震設計提供借鑒與參考。

1 高樁碼頭地震反應數值模擬方法

1.1 高樁碼頭結構

該碼頭采用梁板式高樁碼頭，高樁碼頭樁臺寬度為39m，樁排架間距10m，每個排架由6～8根組成，平面布置如圖1所示。樁臺面板采用疊合板，板厚為200mm。樁臺下的基樁共6根，采用大直徑預應力鋼筋混凝土管樁，直徑為1 200mm，樁身編號為1～6，樁間距約為6 000mm，樁長為32m。碼頭前沿泥面高程為-18.040m，碼頭樁臺面頂的高程為4.070m。

圖1 某高樁碼頭工程平面布置 [8]

1.2 工程地質條件

根據工程地質資料，結合區域地質特征及土體物理力學性質，場區內土層自上而下為：回填土、亞黏土、淤泥質亞黏土、粉細砂、粗礫砂、風化層亞黏土。各土層物理力學性質如表1所示[8]。

表1 各層土物理力學參數

1.3 數值模型

高樁碼頭結構比較復雜，為了便于計算，對實際碼頭結構進行簡化如下：選取1個橫向排架，計算單元長度為10m，如圖1中虛線框所示。梁板式高樁碼頭的橫向排架由橫梁和樁基組成。樁頂與上部結構有足夠的錨固長度，且碼頭結構只有垂直樁而無叉樁，水平力全部由直樁來承擔，故樁頂與上部結構的連接按固結計算。樁的入土深度足夠長，故樁的下端按彈性嵌固于岸坡土體中計算。

高樁碼頭工程抗震設防烈度為7度(0.1g)，場地類別為Ⅱ類，計算只考慮水平地震動作用。選取El Centro波，地震動加速度時程如圖2所示[8]。

圖2 地震動輸入時程[8]

為消除邊界效應對高樁碼頭地震反應影響，模型寬為439m，高為240m(見圖3)。模型左邊界和右邊界約束x方向位移，模型底部邊界約束y向位移，上邊界為自由邊界。土體采用Drucker-Prager模型模擬，PHC管樁和橫梁簡化為線單元，采用梁單元進行模擬。PHC管樁和樁臺參數如表2所示。

圖3 高樁碼頭模型示意[8]

表2 PHC管樁和樁臺物理力學參數[8]

基于李穎等[9]高樁碼頭非線性地震反應分析計算結果，驗證1.2節建立的數值模型可靠性。文獻[8]中給出模型詳細驗證過程，不再贅述。

2 PHC管樁抗震性能分析

2.1 PHC管樁樁徑對抗震性能影響

選取1號、2號和3號樁徑為1 400mm，4號、5號和6號樁徑為1 200mm(見圖4)作為多樁徑1組；取1號、2號和3號樁徑為1 200mm，4號、5號和6號樁徑為1 400mm作為多樁徑2組，多樁徑1組和2組的樁壁厚度均為150mm，分別計算兩組樁徑在加速度峰值(PGA)為0.1g，0.2g和0.4g的El Centro波作用下的變形與抗彎能力。表3和表4分別為不同峰值El Centro波作用下多樁徑1組和2組的樁水平位移與彎矩。

表3 0.1g，0.2g和0.4g峰值地震動作用下樁水平位移

圖4 不同樁徑PHC管樁

表3為0.1g，0.2g和0.4g峰值加速度下樁水平位移。由表3可見，隨著地震動加速度峰值的增加，樁水平位移逐漸增大；樁底處，0.4g加速度峰值作用下，樁水平位移都超過允許值(水平位移允許值為58mm[8])，即已發生破壞。

表4呈現了不同加速度峰值下樁身彎矩變化情況。由表4可見，地震作用下，PHC管樁樁身彎矩變化趨勢基本一致；隨著地震動峰值加速度的增加，樁彎矩也逐漸增大；彎矩在土層的交界面以及樁身和岸坡土體的交界面附近變化明顯，且在樁身和岸坡土體的交界面之上其變化趨勢較弱；樁身彎矩最大值出現在樁頂、土層交界面或樁身和岸坡土體面的交界面附近；且在相同峰值加速度下，多樁徑2組的樁身彎矩更大。

表4 0.1g,0.2g和0.4g地震作用下樁彎矩

2.2 PHC管樁截面形狀對抗震性能影響

由2.1節分析可知，在地震動加速度峰值較大時，高樁碼頭PHC管樁會發生破壞。這里，采用實心圓樁和空心圓樁的組合提高PHC管樁的抗震性能。在每根樁的危險截面處進行換樁，即實心圓樁替換空心圓樁，換樁的長度L取為2.5m[8]，即在危險截面的上下各換樁2.5m。但為了制作和施工方便，可在危險截面上方換樁至樁頂，如表5所示，采用空心圓樁和實心圓樁的組合形式。組合樁樁4號和5號的實心部分長為15m，空心部分長為17m[8]；樁6號實心部分長為8m，空心部分長為24m[8]。

表5 組合樁示意

選取樁徑為1 200，1 300mm和1 400mm，樁壁厚度為150mm的PHC管樁，計算組合樁在峰值加速度為0.1g，0.2g和0.4gEl Centro波作用下變形與抗彎能力。表6為不同峰值加速度下樁身位移。隨著地震動峰值加速度的增加，樁水平位移逐漸增大。在0.1g和0.2g峰值加速度作用下，隨著樁徑的增大，樁頂水平位移減小，樁底水平位移增大，故樁相對水平位移減小，且未超過允許值。

表6 0.1g,0.2g和0.4g地震作用下組合樁水平位移

但在0.4g峰值加速度作用下，樁徑為1 300mm時，樁頂水平位移、樁底水平位移、樁相對水平位移最大，且所有樁的水平位移都超過允許值而破壞。同時，對比表3，組合樁較未組合樁的樁頂樁身水平位移減小、樁底樁身水平位移增加、樁身相對水平位移減小。

圖5～7分別為樁徑1 200，1 300mm和1 400mm不同峰值加速度下PHC管樁彎矩。由圖5～7可見，隨著地震動峰值的增加，PHC管樁樁身彎矩逐漸增大且變化趨勢基本一致。在土層交界面以及樁身和岸坡土體的交界面附近，樁身彎矩有所改變，但在樁身和岸坡土體的交界面之上其變化趨勢較弱；樁身彎矩最大值出現位置基本不變。

圖5 樁徑為1 200mm時不同峰值加速度下組合樁彎矩

圖7 樁徑為1 400mm時不同峰值加速度下組合樁彎矩

2.3 PHC管樁樁長對抗震性能影響

本節選取樁徑為1 200mm，樁壁厚為150mm的PHC管樁，圖8為樁1號至樁6號的兩種多樁長組合形式L1和L2。表7和表8分別給出了L1和L2兩種多樁長組合形式下的PHC管樁位移與彎矩變化情況。

圖8 PHC管樁多樁長組合

由表7可知，隨著地震作用的增加，樁的水平位移明顯增大。在0.1g和0.2g峰值地震動下，所有樁的水平位移都未超過允許值，即樁均未發生破壞。0.4g峰值地震動作用下，有的樁水平位移超過允許值，即發生破壞。

表7 0.1g,0.2g和0.4g地震作用下多樁長水平位移

0.1g，0.2g和0.4g峰值地震動作用下，PHC管樁樁身彎矩變化趨勢基本一致(見表8)。隨著地震動峰值的增加，樁身彎矩逐漸增大；樁身彎矩在土層的交界面，以及樁身和岸坡土體面的交界面附近有所改變，且在樁身和岸坡土體面的交界面之上其變化趨勢較弱；樁身彎矩最大值出現的位置基本不變；同時，在相同峰值地震動作用下，L2形式樁身彎矩比L1形式的樁彎矩小。

表8 0.1g,0.2g和0.4g地震作用下多樁長樁身彎矩

3 結語

針對我國沿海地區高樁碼頭工程中常用的PHC管樁，構建了高樁碼頭PHC管樁地震反應分析數值模型，聚焦PHC管樁抗震性能及其影響因素，提出采用不同的樁徑、空實心組合樁截面以及不同樁長的組合形式，分析了高樁碼頭PHC管樁的抗震性能為高樁碼頭實際工程建設提供參考，主要結論如下。

1) PHC管樁樁身彎矩最大值出現在樁頂、土層交界面或樁身和岸坡土體面的交界面附近，為危險截面。

2)在PHC管樁抗震設計中，建議靠近陸側的樁選擇相對較小的樁徑，靠近海側的樁選擇相對較大的樁徑。

3)高樁碼頭PHC管樁靠近海側的樁可通過組合樁截面形式提高其抗震性能，靠海側的樁可增大樁長提高其抗震性能。