离岸深水全直桩码头的地震损伤分析
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作者:陈宇 石运东 孙熙平
摘要：全直桩码头作为离岸深水海域广泛应用的一种高桩码头结构形式，其抗震性能和地震损伤破坏机理尚未被掌握。采用集中参数模型和附加质量法分别考虑桩一土相互作用和地震动水压力作用，应用纤维单元模型进行全直桩码头结构的地震损伤分析，并定义了基桩构件损伤准则和结构整体损伤准则。对一榀全直桩码头进行了强震作用下的损伤分析，结果表明全直桩码头结构在不同土层问和土与水问的交界处以及基桩顶部位置的基桩损伤较大，达到严重损伤程度;随着土层剪切波速的减小，结构的地震损伤指数明显增大，并且改变土层剪切波速会明显影响基桩的损伤分布模式;当剪切波速为100m/s时，水深变化对码头地震损伤影响基本可以忽略;当剪切波速为400m/s时，随着水深增加，结构地震损伤指数明显增大。
关键词：全直桩码头;地震;损伤分析;纤维单元
中图分类号：TU473;TU352.1 文献标志码：A 文章编号：1004-4523（2020）01-0111-09
DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.01.013
引言
随着近海岸建港资源开发饱和，近几年来港口工程建设向离岸深水域发展。全直桩码头依靠波流作用力小、适用于软土地基、外海施工方便等特点被广泛应用于离岸深水域的码头建设。然而，全直桩码头的建设地区不可避免的会位于强地震烈度区，以往的震害资料表明地震作用会引起高桩码头结构的基桩发生严重损伤。同时，外海复杂的地质水文条件会增加码头结构的地震风险性，因此有必要研究全直桩码头的损伤破坏机理和失效模式，为改进和完善全直桩码头结构的抗震设计提供理论基础。
为了实现离岸深水域的全直桩码头结构的地震损伤分析，首先需在考虑桩一土相互作用和地震动水压力作用的同时进行结构的弹塑性时程分析。在桩一土相互作用方面，发展了直接法、子结构法和集总参数法，其中集总参数法因概念清晰、计算高效被广泛应用于结构的地震时程分析。在地震动水压力作用方面，发展了辐射波浪理论和Morison方程，其中小直径桩的地震动水压力作用可通过附加质量法加以考虑。在结构的弹塑性时程分析方面，根据数值模拟方法不同，可分为实体单元模型、塑性铰单元模型和纤维单元模型等，其中纤维单元模型能以较低的计算成本获得很高的求解精度。其次需建立材料和构件损伤准则，钢结构构件由均一材料组成，通过材料损伤的情况可直接定义构件损伤模型。最后需建立结构整体损伤准则，目前结构整体损伤准则的定义通过构件损伤的加权组合来反映结构的损伤状态，并且需确定结构的损伤失效部位，从而掌握结构的失效模式。
综上，本文结合桩一土相互作用模型和动水压力作用模型，建立了离岸深水全直桩码头的地震损伤分析方法，并对一榀全直桩码头结构进行了强震作用下的弹塑性时程分析。从材料、基桩构件、整体结构方面对码头结构进行了地震损伤分析，并确定了地震作用后结构的性能状态;此外，以土体剪切波速和水深为变量进行了结构地震损伤分析，研究了土体剪切波速和水深对全直桩码头结构地震损伤和失效模式的影响规律。
文献[12]给出了钢材低周反复试验的损伤演化过程，并对钢材损伤指数进行线性回归分析，如图1所示。根据线性回归分析得到的拟合曲线与损伤演化曲线的交点为节点划分钢材的损伤等级，同时参考文献[13]中的等级划分方法，将钢材的损伤等级划分为轻微损伤、中等损伤、严重损伤和完全破坏，具体定义如表1所示。
1.2基桩构件损伤准则
采用纤维单元模型的基桩构件，可将每个构件离散为若干个构件单元，每个构件单元截面离散为若干个纤维。借鉴文献[9]中的方法，以构件单元中各个纤维的损伤指数加权平均定义构件单元的损伤指数，同时定义基桩构件损伤指数为每个构件单元损伤指数的最大值。由此定义基桩构件损伤准则表达式为
1.3全直桩码头结构整体损伤准则
基桩为全直桩码头的竖向受力构件，借鑒文献[14]框架结构的地震层损伤准则的思想，以基桩损伤指数平均值作为全直桩码头结构的地震整体损伤准则，其定义为
2有限元模型的建立
2.1桩一土相互作用模型
文献[15]表明改进的Penzien集中质量模型计算效率高，参数选取简单，并且可以较好地考虑桩一土相互作用后结构的动力特性变化，其模型通过水平弹簧和阻尼器来模拟桩与土之问的相互作用，并在桩周土之问增加土的剪切弹簧和阻尼器，计算时地震动从基岩位置输入，其计算模型如图2所示。各土层桩-土相互作用的水平弹簧刚度Khi计算公式如下：
2.2地震动水压力作用
地震作用下全直桩码头基桩属于小直径柱体，而小直径柱体的地震动水压力作用效应可以采用Morsion方程进行求解。Morison方程假定小直径柱体受到的地震动水压力由惯性力和阻尼力线性叠加组成，同时忽略结构对水体运动产生的影响，认为水对结构的作用由未受扰动的加速度场和速度场分别引起的沿水体运动方向作用于结构上的惯性力和阻尼力组成。水对单位长度柱体动水压力作用的计算公式为
2.3结构模型及模型参数
所分析结构为某港一榀离岸深水全直桩梁板式码头，码头排架首尾桩中心距为36m，4根基桩均采用壁厚为20mm，Ф1800mm的Q345钢管桩，桩基自由高度为32.5m，人土深度为44.5m，码头面板由钢筋混凝土板制成，板厚为500mm，码头结构排架尺寸如图3所示。码头面设计均布面荷载为30kPa。码头所处水域设计高水位为3.82m，所处地质参数如表2所示。
采用LS-DYNA有限元程序中的纤维单元模型模拟码头结构排架的基桩构件，基桩沿轴向离散成154个梁单元，每个梁单元长度为0.5m，梁单元横截面离散成36个钢纤维，每个钢纤维的材料模型采用1.1节所述的钢材损伤本构模型。码头结构横梁采用梁单元模拟，其材料采用弹性模型模拟，面板按等效质量分布在横梁上，面板设计荷载按线荷载作用在横梁上。采用2.1节的桩一土相互作用模型模拟1-4层土与桩相互作用，由于第五层土为非常密实粉砂，可作为持力层，因此在第五层土顶部桩基位置设置固定端，其考虑桩一土相互作用的码头结构有限元模型如图4所示。桩一土相互作用模型参数可通过式（4）-（7）和表2计算得到。根据式（11）可计算得到每根基桩每米动水压力附加质量为2606kg。 3全直桩码头的地震损伤分析
强震作用下码头结构往往发生较为严重的破坏，为了分析强震作用下全直桩码头结构的地震损伤情况，本文按文献[19]方法合成3条人工基岩地震动，如图5所示，峰值加速度为0.6g，该地震等级在《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）属于强震范围。
将上述3条人工地震动从全直桩码头的基桩底部和基础土体底部沿排架方向单向输入。图6给出了地震动1作用下全直桩码头的损伤云图。从图中可以看出，4根基桩的损伤分布模式基本相同，在基桩顶部、第一层土上部的基桩发生明显损伤，在第一层土体中点位置附近以下的基桩均发生明显屈服，土层交接处的基桩损伤指数较大，第一层与第二层土交界处的基桩损伤最大。地震动2和3作用下其损伤分布模式与图6基本一致，由于篇幅有限在此不再列出。
由于码头排架为对称结构，1#和4#基桩、2#和3#基桩对应位置基桩单元损伤基本一致。以1#和2#基桩为例，分析基桩的损伤演化过程。提取3条地震动作用下1#和2#桩顶部和土层交接位置的基桩单元损伤指数，如图7所示（图中基桩单元号位置如图6所示）。从图7（a）中可以看出，地震动1作用下1#基桩238和2#基桩271号单元在7s左右首先出现损伤，随着地震动的持续，所示单元逐渐出现损伤，当加速度在8s左右出现峰值时，所示单元损伤指数突增，随着后续地震动的持续，所示单元损伤持续增大。1#基桩1425，19，238，2311，1751，1953号单元最终的损伤指数分别为0.0108，0.0096，0.0289，0.0211，0.0121，0.0091;2#基桩1449，46，271，2275，1778，1968号单元最终的损伤指数分别为0.0166，0.0116，0.0291，0.0212，0.0121，0.0095。在土层上部，2#基桩较1#基桩相同位置的损伤指数大，其原因是2#基桩上部所分摊的均布荷载大，导致其受惯性力较大;在土层下部，两个基桩损伤指数基本相同，因此上部荷载情况对土层下部基桩的损伤情况影响较小。同时从图7（b）和（c）可以看出，地震动2和3作用下其损伤演变过程与地震动1作用下相似，其最终损伤程度有所差别。
提取每根基桩所有单元的损伤指数，按式（3）计算全直桩码头结构整体的损伤演化过程，如图8所示。从图8中可以看出，地震动1作用下在7-8.5s之问结构损伤迅速发展，这与地震动在此时问内加速度峰值较大相对应，此后在8.5-14.5s之问，结构损伤逐渐累积，地震动输入结束时，结构损伤指数为0.0290，其结构性能状态对照表1属于严重损伤。地震动2和3作用下结构最终损伤指数分别为0.0356，0.0342，对应结构性能状态对照表1均属于严重损伤。
4参数分析
为了掌握全直桩码头所处环境中土层性质（剪切波速）和水深对结构的地震致灾效应的影响，通过改变土层剪切波速和水深对2.3节中所述全直桩码头模型进行损伤分析。
4.1土层剪切波速的影响
为了研究土层剪切波速对结构地震损伤的影响，考虑了4种工况，剪切波速为100，200，300和400m/s。2.3节中的土层参数按等效剪切波速法计算所得的土层等效剪切波速为100m/s。剪切波速为200，300和400m/s工况，沿用2.3节土层分布，每层土的剪切模量均乘以2，3和4得到。输入地震动采用第3节中的3条人工合成地震动。
图9给出了地震动1作用下不同土层剪切波速条件下码头基桩的损伤云图。从图9中可以看出，土层剪切波速为200和300m/s时，基桩损伤发生在第一、二层土交界处、第一层土顶部和基桩顶部;土层剪切波速为400m/s时，基桩损伤发生在基桩顶部，其他部位未发生明显的损伤情况。同时可以看出，土层剪切波速从100m/s增加到400m/s，基桩损伤出现减小趋势，其原因是全直桩码头为柔性结构，软土地基会加大柔性结构的地震反应，增加结构的地震风险性。地震动2和3作用下其损伤分布模式与图9相似，由于篇幅有限在此不再列出。
提取每根基桩所有单元的损伤指数，按式（3）计算不同剪切波速条件下全直桩码头结构整体的损伤演化过程，如图10所示。从图中10（a）可以看出，地震动1作用下土层剪切波速为100，200，300和400m/s时码头结构的最终损伤指数分别为0.0290，0.0185，0.0130和0.0054，对应结构性能状态分别为严重损伤、中等损伤、中等损伤和轻微损伤;地震动2作用下土层剪切波速为100，200，300和400m/s时码头结构的最终损伤指数分别为0.0356，0.0150，0.0116和0.0074，对应结构性能状态分别为严重损伤、中等损伤、中等损伤和轻微损伤;地震动3作用下土层剪切波速为100，200，300和400m/s时码頭结构的最终损伤指数分别为0.0342，0.0177，0.0165和0.0082，对应结构性能状态分别为严重损伤、中等损伤、中等损伤和中等损伤，因此在软土地基上建设的全直桩码头结构的地震风险性高。
4.2水深的影响
为了研究水深对结构地震损伤的影响，考虑了4种工况，水深为0（无水），10，20和30m。地基土等效剪切波速分别选取4.1节的100和400m/s。
图11给出了地基土等效剪切波速为100m/s时不同水深工况下码头结构整体损伤演化过程。从图11中可以看出3条地震动作用下水深为0（无水），10，20和30m工况，结构损伤过程基本一致，4种工况结构损伤程度基本一致。图12给出了地基土等效剪切波速为400m/s时不同水深工况下码头结构整体损伤演化过程。从图12中可以看出，地震动1作用下水深为0（无水），10，20和30m工况，结构损伤指数分别为0.0022，0.0046，0.0086，0.0107，对应的结构性能状态分别为轻微损伤、轻微损伤、中等损伤和中等损伤;地震动2作用下水深为0（无水）、10，20和30m工况，结构损伤指数分别为0.0074，0.0084，0.0091，0.0103，对应的结构性能状态分别为轻微损伤、中等损伤、中等损伤和中等损伤;地震动3作用下水深为0（无水），10，20和30m工况，结构损伤指数分别为0.0038，0.0040，0.0088，0.0095，对应的结构性能状态分别为轻微损伤、轻微损伤、中等损伤和中等损伤。随着水深的增加，结构损伤指数逐渐增加，因此增加水深可加重结构的地震损伤程度。综上所述，当地基土体较软时，水深对结构地震损伤程度的影响基本可以忽略，但当地基土体较硬时，随着水深的增加，结构地震损伤指数显著增大，其原因是当水深增大时，水体对基桩的动水压力作用增大，但此压力可通过基桩传递给地基土体，然而较硬的地基土耗能较少，导致基桩吸收较多的振动能量，因此动水压力的增大会加重处于较硬地基土中的基桩损伤程度。
5结论
采用纤维单元模型对某港一榀离岸深水全直桩梁板式码头结构进行地震损伤分析，结果表明强震作用下离岸深水全直桩码头结构基桩发生明显损伤，尤其土层问和土与水问的交界处以及基桩顶部的基桩损伤较大，根据定义的结构性能等级，在0.6g地震动作用下全直桩码头达到严重损伤程度。通过研究不同水深和土层剪切波速对全直桩码头结构地震损伤的影响，分析表明考虑桩一土相互作用，随着土层剪切波速的减小，码头的地震损伤指数明显增大，并且改变土层剪切波速会明显影响基桩的损伤分布模式;考虑动水压力效应时，软土地基上（等效剪切波速为100m/s）的码头结构，水深变化对码头地震损伤影响基本可以忽略，但较硬地基上（等效剪切波速为400m/s）的码头结构，随着水深增加，结构地震损伤指数明显增大。因此实际情况中应根据工程需要，合理考虑桩一土相互作用和地震动水压力效应。
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