遮帘桩对板桩码头地震响应的影响

王翠燕，吴相豪

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

板桩码头由板桩、拉杆、锚碇结构等组成，依靠板桩入土部分土压力和锚碇结构来保持其整体稳定性。由于板桩强度的限制，只适用于水深不大的中小型码头。为了克服这一缺陷，中交第一航务工程勘察设计院提出了遮帘式板桩结构，可作为深水泊位的码头结构。遮帘式板桩是指在码头前排板桩后方打设一排或多排不连续桩，以遮挡前排板桩的后方土压力，减小前排板桩的弯矩，改善其受力状态。目前该新型码头结构的设计方法还不成熟，国内许多学者正在开展相关的研究工作，如李景林等[1]运用离心模型试验技术对采用遮帘桩方案的京唐港14＃、15＃泊位板桩码头结构受力状态和变形特点进行研究；刘文平等[2]对遮帘式板桩码头结构进行数值分析，研究码头面堆载和剩余水压力对前墙和遮帘桩弯矩及其轴力的影响；崔冠辰等[3]利用数值分析方法，研究遮帘桩与前墙的距离以及遮帘桩的刚度对码头工作性状的影响，得出墙桩间距增大会削弱遮帘桩对前墙的挡土效果；惠炜等[4]基于平行墙理论及最不利荷载情况下的朗肯主动土压力理论，推导出遮帘桩后水平土拱拱前自由区及拱后稳定区土压力表达式，并在此基础上，根据拱脚水平静力平衡条件及三角形受压区强度条件得出遮帘桩合理桩间距的计算式；李胜林[5]根据极限平衡理论提出遮帘桩有效长度的计算方法；蒋建平等[6]运用ABAQUS 软件研究不同加速度峰值对京唐港32＃遮帘式板桩码头地震响应的影响。

综合分析国内外有关遮帘式板桩码头的研究成果可以发现，现有遮帘式板桩码头结构性能方面的研究大都基于静力，抗震方面的研究成果比较少。为此，本文采用数值分析方法对京唐港32＃遮帘式板桩码头进行地震响应研究，分析遮帘桩、遮帘桩刚度、遮帘桩与前排板桩间距等对板桩码头结构地震响应的影响。

1 工程概况

京唐港32＃码头为遮帘式地连墙板桩码头所在位置的地基土层为粉细砂层、粉质黏土层以及细砂层。码头前沿泥面高程为-16.0 m，顶面高程为4.2 m，前墙高27.0 m、厚1.0 m，遮帘桩横截面尺寸为2.0 m×1.0 m(长×宽)、间距为2.75 m、高30.0 m，锚碇墙高14.5 m、厚1.2 m，均为钢筋混凝土构件。连接遮帘桩和锚碇墙的长拉杆直径为95 mm，连接前墙和遮帘桩的短拉杆直径为75 mm，拉杆均为Q345钢棒，拉杆间距约为1.2 m。前墙与遮帘桩之间的距离为3.0 m。码头结构如图1 所示。

图1 码头结构(尺寸:mm；高程:m)

2 有限元分析模型

2.1 码头结构模拟及材料参数

采用ABAQUS 软件建立京唐港32＃码头结构二维有限元分析模型，如图2 所示。土体采用Mohr-Coulomb 模型，选取非对称求解器进行求解；桩的弹性模量是土弹性模量的200 倍以上，相对来说变形一般不会很大，采用线弹性模型；拉杆采用梁单元进行模拟。由于遮帘桩间距为2.75 m，前墙和锚碇墙均为连续墙结构，故采用刚度等效原则把遮帘桩等效成连续墙，即前遮帘桩的刚度与连续墙的刚度等效。根据京唐港32＃码头的地质资料，模型中的材料参数取值见表1。

表1 材料参数

图2 有限元模型

ABAQUS 软件在分析时有材料和单元的阻尼、整体阻尼和模态阻尼3 种阻尼引入途径。本文采用常见的瑞利阻尼，在材料中直接定义。瑞利阻尼是与运动量成正比的单元阻尼矩阵与由内部摩擦而产生的、与应变速度成正比的单元阻尼矩阵C的线性组合[7]，表达式为:

式中:M为单元质量矩阵；K为单元刚度矩阵；α、β分别为与质量、刚度成正比的系数，计算公式为:

式中:ξ为材料阻尼比；ωi、ωj为结构i、j振型的振动频率。

2.2 模型边界及地震波输入

板桩码头在进行静力分析时，一般只截取出较大区域，在边界上设置固定边界就能满足计算要求，但在动力分析中，地震波会在人为截断处发生反射，造成计算结果失效。目前设置人工边界的方法主要有黏弹性边界、无限元边界、透射边界和黏性边界等，本文选用无限元边界处理地震波的反射问题[8]。

地震波选用EL-Centro 波(标准化处理后，峰值加速度PGA＝1.0 m∕s2)，动力分析时间步为0.02 s，波形见图3，采用设置加速度边界条件的方法施加在地基底部有限元与无限元交界面的节点上[9]。

图3 地震波时程曲线

3 计算结果及分析

3.1 遮帘桩对码头结构受力性能的影响

地震作用下无遮帘桩板桩码头和有遮帘桩板桩码头拉杆、前墙和锚碇墙的力学特性如图4 所示。可以看出，设置遮帘桩后，板桩码头前墙最大正弯矩由874.80 kN·m 减小至99.14 kN·m，减小了775.66 kN·m；最大负弯矩由1 858.0 kN·m减小至758.2 kN·m，减小了1 099.8 kN·m。锚碇墙最大负弯矩由691.9 kN·m 增加至747.6 kN·m，增加了55.7 kN·m。拉杆拉力最大值由1 309.36 kN减小至993.12 kN，减小了316.24 kN。由以上分析可知，遮帘桩对板桩码头前墙和拉杆的受力性能影响比较大，可以显著降低前墙和拉杆的地震响应，对锚碇墙受力性能的影响比较小。

图4 各结构力学特征

3.2 遮帘桩厚度对码头结构受力性能的影响

图5 为不同厚度的遮帘桩对板桩码头结构地震响应的影响。由图5a)可以看出，在所取遮帘桩厚度范围内，前沿泥面线高程以下部分的前墙弯矩随着遮帘桩厚度增加逐渐减小，泥面线以上部分的前墙弯矩随着遮帘桩厚度增加变化不明显；由图5b)可看出，随着遮帘桩厚度的变化，锚碇墙弯矩无明显的变化规律，而且遮帘桩厚度的变化对锚碇墙弯矩值影响较小，可见遮帘桩厚度对锚碇墙受力性能的影响不明显；由图5c)可看出，遮帘桩厚度对拉杆拉力有一定的影响，随着遮帘桩厚度的增加，拉杆拉力逐渐减小；当遮帘桩厚度增大到2.8 m 时，拉杆拉力为895.58 kN，继续增加遮帘桩厚度对拉杆拉力没有明显影响。

图5 不同厚度下各结构力学特征

3.3 前墙与遮帘桩间距对码头结构受力性能的影响

地震作用下不同前墙与遮帘桩间距的板桩码头拉杆拉力、前墙弯矩及锚碇墙弯矩的分布情况见图6。可以看出，前沿泥面线高程以上部分的前墙弯矩随着前墙与遮帘桩间距的增大逐渐增大，前墙与遮帘桩间距对泥面线以下部分的前墙弯矩影响不明显。随着前墙与遮帘桩间距的增大，锚碇墙弯矩无明显的变化规律，而且锚碇墙弯矩值变化不大，可见前墙与遮帘桩间距对锚碇墙受力性能的影响不明显。在所取间距范围内，拉杆拉力先是随间距增大逐渐减小，后是随间距增大逐渐增大，但拉杆拉力变化极小，前墙与遮帘桩之间间距为4 m 时拉杆拉力最小。

图6 不同间距下各结构力学特征

3.4 遮帘桩长度对码头结构受力性能的影响

地震作用下不同长度遮帘桩的板状码头拉杆拉力、前墙弯矩及锚碇墙弯矩的分布情况见图7。可以看出，在所取遮帘桩长度范围内，随着遮帘桩长度增大，拉杆拉力逐渐减小，但拉力值变化较小。前沿泥面线高程以上部分的前墙弯矩绝对值随着遮帘桩长度增大逐渐减小，但弯矩值变化较小；遮帘桩长度对泥面线以下部分的前墙弯矩影响不明显。随着遮帘桩长度的变化，锚碇墙弯矩无明显的变化规律，而且锚碇墙弯矩值变化不大，遮帘桩长度对锚碇墙受力性能的影响不明显。

图7 不同长度下各结构力学特征

4 结论

1)遮帘桩对板桩码头前墙和拉杆的受力性能影响比较大，可以显著减小地震作用下前墙弯矩和拉杆拉力，对地震作用下锚碇墙的受力性能影响较小。

2)遮帘桩厚度对地震作用下拉杆拉力、前沿泥面高程以下部分的前墙弯矩影响较大，对前沿泥面高程以上部分的前墙弯矩和锚碇墙弯矩影响较小。随着遮帘桩厚度增加拉杆拉力逐渐减小，但当遮帘桩厚度达到2.8 m 时，继续增加遮帘桩厚度，拉杆拉力不再减小。前沿泥面线高程以下部分的前墙弯矩随着遮帘桩厚度增加逐渐减小。

3)前沿泥面线高程以上部分的前墙弯矩随着前墙与遮帘桩间距的增大逐渐增大，前墙与遮帘桩间距对泥面线以下部分的前墙弯矩影响不明显。前墙与遮帘桩间距对锚碇墙和拉杆受力性能的影响较小。

4)遮帘桩长度对地震作用下拉杆拉力、前沿泥面高程以上部分的前墙弯矩影响较大，对前沿泥面高程以下部分的前墙弯矩和锚碇墙弯矩影响较小。拉杆拉力、前沿泥面线高程以上部分的前墙弯矩绝对值随着遮帘桩长度的增大逐渐减小。