重力式码头地震反应分析研究现状①

丛佩文等

摘 要：过去经验表明，码头在地震发生时是极易破坏的。该文概述了重力式码头地震反应分析的理论研究价值及工程意义。结合室内试验和数值模拟实验，该文综合阐述了目前数值模拟技术的优势和方法，并认为有限元的数值模拟可以更有效的对重力式码头抗震进行研究。总结分析了室内试验和数值模拟、有限元和离散元的利弊与应用。

关键词：重力式码头 地震 数值模拟 有限元

中图分类号：TU435 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0065-01

码头是国内外交通运输网络的重要节点，并且在国家经济活动中发挥着重要的作用。它为船舶提供停靠、装卸货物和上下旅客等作用，是港口的主要组成部分[1]。在许多国家，相比于其它贸易运输模式，如陆运和空运，货物通过码头的贸易在总量中占主体地位；在这些国家中，港口往往是区域经济中心和物流中心。正因为如此，那些由于地震这种自然灾害造成码头停运的经济损失是极其巨大的。

现今人们普遍承认，港口设施应仔细设计抗震，以保证在强震中的稳定性。在过去几十年，人们努力去开发合理的方法和规范去来分析设计码头，许多降低地震风险的措施也已落实。特别是子1995年兵库县南部的阪神地震，人们研究各种案例并利用振动台、数值软件进行模拟，并对现有结构进行抗震改造。

1 国内外研究现状

从20世纪中期以来，国内外学者越来越重视港口结构的抗震设计，地震工程的技术也随着计算机的广泛应用和迅速发展而获得了长足的进步。特别是日本阪神大地震后，涌出一大批国内外学者研究港口抗震问题，在最初对日本神户重力式沉箱码头进行了数值分析，得到的结果与实测数据基本吻合；我国学者在这方面也做出了杰出的贡献，河海大学刘汉龙教授以应变空间的多重剪切机构塑形模型为本构关系，对神户港沉箱式码头进行了非线性动力有效应力分析，其得到的结果与地震后实测结果基本一致。剑桥大学Madabhushi和Zeng通过离心机试验对重力式码头挡土墙模型进行了三个动力离心机试验（包括两种饱和土体和一个干土体），并将得到的结果用于研究重力式码头挡土墙地震机理。中国地质大学方云教授根据相似原理设计了重力式码头的地基模型，进行了一系列的振动台试验，研究了地震液化条件下重力式码头的变形破坏机理，并提供重力式挡土墙的改进设计。大连大学王桂萱教授探讨了应用离散元分析方法求解地震荷载下沉箱和背后填土大变形问题的可能性，开发了能描述沉箱的平面形状及沉箱与土体摩擦特性的矩形单元。并通过简单实例分析了地震时沉箱码头的变形，再现了沉箱码头地震灾害的发生过程，为沉箱在地震情况下的大变形分析提供了一种新途径。

2 室内试验

地基模型是根据相似原理按照神户港重力式码头的实际地质剖面缩小比例尺设计的，几何模拟系数为116。试验盒采用透明的有机玻璃板制成，尺寸为长200cm、宽40cm、高60cm。在整个振动试验过程中可以清晰地观察到地基变形的全过程。采用一个装满密实饱和砂土的木盒来模拟重力式挡土墙，墙后和墙底铺设有砾石滤层和疏松的砂层，地基中装置了许多不同类型的传感器。为了测定振动液化过程中挡土墙后土压力的变化情况，在有些试验中还在挡土墙背安装了土压力传感器。

试验结果表明：基底土的强度降低和局部液化是挡土墙变形破坏的主导因素。墙后动土压力的增加为挡土墙的运动提供了条件。在液化条件下重力墩式码头地基的运动以侧向位移为主，重力作用是地基侧向运动的主要影响因素。减少作用于挡土墙的动土压力和充分填实基底下的砂土是增加重力墩式码头抗震稳定性的重要措施。

3 数值分析

数值分析方法可以归纳为两类：（1）连续介质分析方法，包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、无单元法（Meshless Method）、扩展有限元法（XFEM）和比例边界有限元法（SBFEM）等。（2）离散介质力学方法，包括刚体极限平衡法、刚体弹簧元法（RBSM）、块体和颗粒体离散元（DEM，如商业软件PFC）、不连续变形方法（DDA）等。

以有限元、有限差分法为主的连续介质分析方法，在处理复杂介质的小变形本构行为如非线性、弹塑性、损伤断裂、流变、动态冲击、振动等问题有独特的优势。王松采用有限元程序ANSYS对神户港沉箱码头进行全面的计算分析，先结合98版水运工程抗震规范对其进行传统的拟静力抗震分析，得出现行规范抗震需要的参数，之后在刚性地基下对其进行动力有限元分析，并与拟静力法结果进行对比。同时对沉箱码头及背后填土进行静力分析，了解受力机理，之后进行考虑地基填土的动力响应分析，在考虑地基填土之前先进行了自由场地的地震分析，得出场地的卓越周期，与沉箱的基本周期进行比对，排除发生共振的可能性。然后分别考虑在无质量地基固定边界和粘弹性边界两种条件下的沉箱码头的动力响应，最后将四种边界条件下得出的变形最大点的加速度时程进行比较，证明粘弹性边界是目前精度较高的一种边界。

离散元方法在岩土工程领域得到了广泛应用，现在已经成为岩土工程领域数值模拟的有效方法。以离散元为主离散介质分析方法在解决离散介质的破坏、倒塌等大变形问题上具有显著优点。王桂萱[2]探讨了应用离散元分析方法求解地震荷载下沉箱和背后填土大变形问题的可能性，开发了能描述沉箱的平面形状及沉箱与土体摩擦特性的矩形单元。并通过简单实例分析了地震时沉箱码头的变形，再现了沉箱码头地震灾害的发生过程，为沉箱在地震情况下的大变形分析提供了一种新途径。比较了两种沉箱模型对分析结果的影响，提出了相应的方法。

4 结语

（1）室内试验得出的结果能够很好的为数值模拟做支撑。在重力式码头离心机与振动台试验中，记录模型的变形尺度、破坏形式，以此为依据，验证数值模拟结果的准确性；然而数值模拟相对于室内试验有着不可忽视的优势，其耗时短、经济成本低，随着计算机的发展，人们越来越倾向于使用这一手段来进行结构的抗震分析。

（2）有限元发展到如今相对于离散元有着它的巨大优势。虽然离散元能从颗粒层面揭示剪切强度和变形的细观力学机理，反映颗粒形状、孔隙率等试样要素变化对模拟结果的影响，但是对于码头结构这种宏观尺度，计算效率太低。而有限元刚好弥补了这一问题，在研究砂土的力学特征时，采用的是连续介质理论，可以从宏观上来分析码头总体的力学响应，在分析码头地震响应破坏问题及其稳定性分析方面具有独特的优势。

参考文献

[1] 韩理安，席玉耀.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 王桂萱，陈雄，宋力.地震荷载沉箱码头大变形分析的离散元法初探[J].海洋工程，2004（22）：131-136.