基于ANSYS/LS-DYNA的水平荷载作用下拱式纵梁码头叉桩布置研究

侯 捷，翟 秋，阎佳安，徐小红

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院,南京 210098;2.江苏省南通市通州区沿江开发办公室，南通 226300)

近年来，我国的港口水运行业发展迅速，码头建设向大型化专业化深水化趋势发展，对深水码头建设的要求日益迫切。深水码头相较近岸码头，其恶劣的外海环境对传统码头型式的承载能力提出了严苛的挑战，且深水环境施工难度也急剧增大。在此大环境下，新型的码头型式应运而生。翟秋等[1-2]提出了一种新型码头结构型式，该新型码头型式借鉴拱桥型式中的拱型结构，利用其良好的抗压性能，设计出新型的拱式纵梁码头以取代传统的高桩梁板式码头结构型式，使得码头排架间距增加到28 m，大大减少了桩基数量，降低了码头施工水下工程量，提高了经济效益。

前期对该拱式纵梁码头的研究主要集中在全直桩基础下结构的静力分析，忽略了拱式纵梁码头结构在复杂动态荷载下的结构响应研究和叉桩的设置对结构受力的影响。现有研究中码头所受的荷载作用主要以自重、堆货荷载和水平等效静力荷载为主，对于结构的动力响应分析研究还不太充分，限制了该新型结构的进一步推广；当设置有叉桩时，码头水平承载力主要由叉桩承担，因此叉桩对码头结构整体受力的影响分析很有研究必要。本文研究在桩土相互作用下拱式纵梁码头受动态撞击力作用时的动力响应，以及叉桩布置型式和扭角角度对码头受力特性的影响，分析出一种较为合理的叉桩布置型式，对该新型码头的推广和在实际工程中的应用具有重要意义。

1 拱式纵梁码头简介

图1 码头排架三视图Fig.1 Schematic diagram of wharf with arched longitudinal beams

拱式纵梁码头是借鉴了桥梁工程中的拱桥结构，利用拱结构良好的抗压性能，所提出的一种新型码头结构型式。它将传统高桩梁板式码头中的纵梁设计为大跨度钢筋混凝土拱式纵梁，纵梁下利用吊杆及拉杆传递荷载与弯矩。码头桩台现浇，拱式纵梁预制后搁置在现浇桩台上，纵梁上设有牛腿，横向水平撑搁置于牛腿上，面板则搁置在横向水平撑上。纵横梁、横向水平撑与面板共同形成整体，纵横梁嵌固于桩台伸出的钢筋中并浇灌混凝土，使得上部结构形成整体性良好的统一结构。码头具体型式如图1所示。

2 码头设计参数

2.1 工程概况

本工程设计船型为15万t级集装箱船，船舶控制系泊风力为9级，风速22.6 m/s，码头前沿设计流速1.80 m/s。设计高水位4.51 m，设计低水位0.53 m，码头顶面高程8.1 m，码头前沿设计水深18.0 m。码头前沿土体参数见表1。

表1 工程地质材料力学参数汇总表Tab.1 Mechanical property of engineering geological materials

2.2 码头结构参数

标准段码头横向排架间距为28 m，一个标准结构段共设基桩22根，预计设置4根叉桩，基桩编号及布置位置如图2所示。基桩采用大直径钢管桩，长46 m，外径1.5 m，内径0.75 m，打入土体持力层中。墩台现浇，厚1.5 m，分两种尺寸型式。靠海侧墩台宽5.6 m，下方支承3根基桩，其余桩台宽3 m，下方支承2根基桩，墩台具体尺寸见图3和图4。纵梁为预制拱式纵梁，拱的跨径为28 m，拱圈梁截面尺寸1.5 m×0.8 m；纵梁间设置预制横向水平撑，预制面板搁置在横向水平撑上。面板厚0.4 m，磨耗层厚0.05 m。码头上部结构总高5 m。高桩码头上部结构包括面板、纵横梁、牛腿及墩台，将其简化为一般的钢筋混凝土线弹性材料；基桩采用钢材的材料参数，具体材料参数见表2。

图2 基桩布置图Fig.2Layoutdiagramofpilefoundation图3 靠海侧墩台尺寸图(单位:m)Fig.3Layoutdiagramofabutmentseaside图4 普通墩台尺寸图(单位:m)Fig.4Layoutdiagramofnormalabutment

表2 码头模型材料特性表Tab.2 Material parameter of wharf

3 三维实体有限元模型建立

3.1 基于ANSYS/LS-DYNA的拱式纵梁码头有限元模型

图5 码头结构模型图Fig.5 Model diagram of wharf structure

本文利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元计算软件，进行码头结构的建模以及相关计算分析。模拟桩土相互作用时，目前主流方法包括M法、NL法、p-y曲线法等[3-4]。M法假定桩身任一点的土抗力与桩身侧向位移之间近似为线性关系，用梁的弯曲理论来求桩的水平抗力。而实际上桩在水平力作用下，桩身任一点的桩侧土压力与该点处桩身挠度之间的关系是非线性的。p-y曲线法将桩四周接触的土体简化成为离散的非线性弹簧，通过对弹簧的刚度系数曲线进行定义来模拟真实土体的p-y曲线。土弹簧可提供轴向反力，能够较好地模拟桩土作用，并且较之于真实土体的接触单元建模分析能够显著减小计算量，因此本文采取p-y曲线模拟桩土相互作用。模型弹簧单元采用combi165单元，不考虑其弯曲和扭转。本次分析通过在靠海侧墩台施加垂直于码头方向的等效荷载时程曲线模拟船舶撞击过程，通过比较码头受船舶撞击力荷载后的应力及位移结果得出最优化的基桩布置方案。码头数值模型如图5所示。

3.2 P-y曲线模拟桩土作用型式

3.2.1 软黏土P-y曲线形式

参照《港口工程桩基规范》(JTS 167-4-2012)，当采用P-y曲线模拟水平作用力下桩土相互作用时，软黏土中桩的P-y曲线在缺乏现场实测数据时可按下式计算。

(1)当Y/Y50<8时

(1)

Y50=ρε50d

(2)

(2)当Y/Y50≥8时

(3)

式中：P为泥面以下Z深度处作用于桩上的水平土抗力标准值，kPa；Pu为泥面以下Z深度处桩侧单位面积极限水平土抗力标准值，kPa；Y为泥面以下Z深度处桩的侧向水平变形，mm；Y50为桩周土达极限水平土抗力之半时，相应桩的侧向水平变形，mm；ρ为相关系数，取2.5；ε50为三轴仪试验中最大主应力差一半时的应变值，本文取0.01。

3.2.2 砂土P-y曲线形式

砂土中桩的P-y曲线，在缺乏现场试验资料时，可按下列公式确定

(4)

(5)

本文土层较为复杂，综合选取两种土质下的P-y曲线形式，以高度1 m为间隔设置土弹簧，将设置土弹簧的桩节点上下各0.5 m处的桩侧向系数积分到相应桩节点位置，使得利用P-y曲线土弹簧模拟桩土作用的结果更加精确。

3.3 码头荷载参数

对于碰撞问题，其动力学方程可以用下式表示

M×a+C×v+K×d=Fre

(6)

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；a为加速度向量；v为速度向量；d为位移向量；Fre为包括碰撞力在内的外力向量。

本文采用P-y曲线模拟桩土相互作用，该方法将桩土系统离散成一组质量-弹簧-阻尼器模型，选取ANSYS有限元软件中的combin165弹簧单元实现模型的建立，基本模型如图6所示。

图6 桩土相互作用模型 图7 船舶撞击力时程曲线 Fig.6 Model of pile-soil interaction Fig.7 Time-history curve of the ship′s impact force

本文分别对4种桩基布置型式进行计算对比分析，以期获得较为准确的分析结果。根据《港口工程荷载规范》(JTS 144-1-2010)：满载排水量大于10万t的船舶法向靠泊速度一般需控制在0.06～0.15 m/s以内。本文中船舶靠泊速度按文献[3]选取为0.15 m/s，撞击荷载作用时间为1.0 s。其中，船舶撞击荷载采用等效的荷载时程曲线型式进行施加，其波形为半周期的简协式正弦波，算得该码头设计船型下的船舶撞击力标准值为1 500 kN，峰值采用两倍等效静力荷载，为3 000 kN。船舶撞击力时程曲线具体见图7；除撞击荷载外，其余荷载均通过简化采用等效静力荷载的方式进行施加。

3.4 桩基布置形式

参照文献[5]，本文计算叉桩在15°、20°、25°3种不同扭角角度情况下码头结构的受力情况，得出最优扭角角度。再通过对叉桩位置的对比分析，得出最适宜的叉桩布置型式。4种设计方式为：A.全直桩布置；B.叉桩布置于4#、5#、15#、16#基桩位置；C.叉桩布置于6#、7#、17#、18#基桩位置；D.叉桩布置于8#、9#、19#、20#基桩位置。

将设计方案A作为基本参照，分别与B、C、D对比，研究叉桩的布置位置对码头受力特性的影响，从而改进码头的桩基型式，得出最优的叉桩布置方案，为今后的设计进行前期铺垫。

4种布置型式的码头结构分别如图8所示。

8-a 全直桩型式 8-b 前叉桩型式 8-c 中叉桩型式 8-d 后叉桩型式图8 4种桩基布置型式下的码头左视图Fig.8 Left elevation of wharf under four kinds of pile foundation layout forms

4 计算结果分析

4.1 扭角对结构影响分析

扭角分别为15°、20°、25°设计条件下，桩基桩顶最终应力与位移如表3所示。

表3 桩基桩顶位移及应力汇总表Tab.3 Displacement of the top of foundation piles summary sheet

由表3可以看出，在受相同撞击力作用的条件下，3种设计扭角对应的桩顶位移与桩顶应力差别较小，同时桩顶位移和设计叉桩的扭角角度大致呈正相关的关系，扭角的增大会使得各桩桩顶的位移值小幅上升[6]。

通过ANSYS查找撞击时程中结构最大应力与位移出现的位置，发现3种扭角情况下码头结构所受最大应力均不超过50 MPa，此最大等效应力出现在 4#桩的桩顶位置。应力最大值出现在约0.6 s时，略晚于撞击力最大时刻出现，说明结构对于撞击荷载约有0.1 s的响应延迟。上部结构最大应力出现在墩台与上部结构连接处，最大应力不超过19.5 MPa，且此应力小于混凝土屈服强度30 MPa，结构保持安全。

绘制出3种扭角情况下撞击发生后5 s内撞击点的位移时程曲线，如图9所示。

撞击过程中结构出现的最大正向挠度约为14 mm。在撞击发生后的5 s内，可看出码头Z方向的位移呈周期性变化，并无累积位移，因此码头结构尚未发生塑性变形，整体均处于线弹性阶段，说明码头整体在船舶撞击力作用下处于安全状态。

综上所述，扭角的变化对码头结构所受等效应力无明显影响，而结构整体位移会随着扭角的增大而小幅增大。因此，在本文码头结构模型的分析中，15°为最优设计扭角角度。

4.2 叉桩位置对结构影响分析

在4种桩基布置的情况下，各桩桩顶应力及位移曲线如图10及图11所示。

图9 3种设计扭角下撞击点Z向位移时程曲线Fig.9Threetorsionalangles'Z-displacement-timecurve图10 叉桩位置对桩顶应力影响曲线Fig.10Effectcurveofbatter-piletopilestress图11 叉桩位置对桩顶位移影响曲线Fig.11Effectcurveofbatter-piletopiledisplacement

由图可知，在布置有叉桩的桩基布置方案中，叉桩桩顶承受最大的应力，且各桩桩顶承受的总应力较全直桩方案降低了32.2%～61.4%，水平横向(Z向)位移也会大幅降低至全直桩方案的25%～50%；其中，前叉桩和中叉桩布置方案在减少码头结构桩基结构的应力和位移方面有明显效果。

图12 1#桩水平横向位移随入土深度变化曲线Fig.12 Z-direction displacement curve of pile 1#

根据ANSYS/LS-DYNA分析结果可得1#桩水平横向位移随桩基入土深度变化曲线(图12)。由图12可以看出，结构整体位移分布较为规律，基桩水平横向位移随入土深度增大而减小，对于受撞击力直接作用的排架段，其下方的桩基位移要远大于两侧排架的桩基，文献[7-8]所提出的撞击力排架分配系数基本合理。其中前叉桩与中叉桩布置方案较为有效地降低了桩基位移尺度。

结构整体应力最大值出现在基桩与墩台连接处以及墩台与上部结构连接处，该两处由于构造问题出现应力集中现象，需要在码头建造时予以加固，避免其因过大的应力集中导致局部破坏，建议在墩台与上部结构连接处增设钢筋以增加结构整体刚度，减小集中应力。

5 结论

本文利用ANSYS/LS-DYNA大型有限元分析软件，通过p-y曲线模拟桩土相互作用，对拱式纵梁码头的多种桩基布置型式在船舶撞击力作用下进行了动力响应分析，得出了如下结论：

(1)本码头型式基桩设计若为全直桩型式，则会导致结构水平横向位移过大，影响结构整体稳定。设置叉桩可有效减小结构整体位移。根据分析结果，建议在码头底端设置叉桩以提高码头稳定性。

(2)在满足实际施工要求的情况下，拱式纵梁码头叉桩扭角不宜过大，在受到船舶撞击力时，叉桩扭角角度与结构受荷后整体位移正相关。设计扭角取15°时，可保证结构满足整体稳定性要求。

(3)通过对码头结构整体等效应力结果的分析可知，码头基桩与墩台连接处、墩台与上部结构连接处易发生应力集中，在施工时应进行局部加固，防止构件受损。

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