地震作用下码头钢管桩的损伤演化规律*

2020-02-10钱金炜陶桂兰陈晓军

水运工程 2020年1期

钱金炜，陶桂兰，陈晓军

(河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098)

高桩结构柔性较大，在地震作用下易发生变形，尤其是作为承力构件的桩基易发生屈曲，从而导致码头结构破坏。结构的破坏程度常采用损伤模型来定量描述。目前，码头结构的地震损伤研究内容主要是对结构和构件的震后损伤状态进行评估[1-3]，对于码头结构的损伤演化过程研究得较少。码头结构的地震损伤演化规律对于结构抗震性能的判断，以及高桩码头在地震灾害下的损伤预测至关重要。本文依托某全直钢管桩码头的工程实例，选择欧进萍等[4]提出的双参数损伤模型量化码头桩基的损伤程度，分析码头桩基在地震作用下的损伤发展过程和演化规律，为高桩码头地震损伤评估提供依据。

1 工程概况

某全直钢管桩码头的结构断面见图1。码头一个结构段长52 m，桩台宽20 m，横向排架间距7 m，面板厚0.5 m。码头上部结构为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C30；每个排架下有4根全直钢管桩，外径1 000 mm，壁厚10 mm，材料为Q345B钢，钢管桩由海侧向陆侧编号依次为1#～4#。

图1 高桩码头结构断面(尺寸：mm；高程：m)

2 地震损伤模型

地震损伤模型的提出是用于量化工程结构在地震作用下的破坏程度，不同的损伤模型对损伤指标的定义不同。根据震害调查和抗震试验研究，对于有稳定岸坡的高桩码头，地震作用下，由于码头重心在上部梁板上，上部结构受较大的水平地震惯性力，导致下部长桩发生较大变形，高桩码头的地震破坏主要发生在下部桩基础上[5]。

已有研究表明，结构构件在地震作用下的破坏不仅与最大变形有关，还与低周疲劳效应导致的累积损伤有关。对于码头桩基而言，桩基的变形响应超过限值，导致结构的突发性破坏；另一方面，桩基的变形没有达到极限，但在地震的往复作用下桩身产生低周疲劳累积损伤，从而导致结构的破坏。因此，地震工程界提出了能考虑变形与低周疲劳效应共同作用的损伤模型，即双参数损伤模型。双参数损伤模型能够较好地反映结构的破坏机理，通常以位移来表示构件变形，以累积滞回耗能来表示构件由于低周疲劳效应引起的累积损伤，物理意义明晰、形式简单，因此得到广泛运用。在此基础上，欧进萍等提出了钢结构的地震损伤模型，损伤指标定义如下：

(1)

式中：Xm为结构或构件在地震作用下的最大位移；Eh为结构或构件在地震动时程内的累积滞回耗能，Xm、Eh可通过对结构进行弹塑性时程分析得到；Xu为结构或构件的极限位移；Eu为结构或构件的极限滞回耗能，Xu、Eu可通过恢复力特性曲线求得；β为非线性组合系数，一般性结构取2.0，重要结构取1.0，本文钢管桩的损伤采用欧进萍损伤模型进行定义，β取1.0。

钢管桩的极限性能参数Xu和Eu通过拟静力试验获得，本文通过ABAQUS有限元软件来模拟该试验。根据《建筑抗震试验规程》[6]要求，在钢管桩顶部沿水平方向采用位移控制加载，同时为了模拟钢管桩的真实受力状态，在桩顶施加竖向集中力以实现轴压的作用，限制桩顶的转动自由度以模拟码头上部结构对钢管桩桩顶的约束作用，采用土弹簧模拟桩土相互作用，通过API规范[7]推荐的循环往复荷载作用下的p-y(反力-变形)曲线来确定弹簧参数，如图2所示。在桩顶施加逐级递增的循环往复位移荷载，当某级位移加载下桩顶水平反力小于桩顶最大水平承载力的95%时[8]，认为管桩已达到破坏，该点即为管桩的极限状态，对应的位移即为钢管桩的极限位移Xu，如图3所示(其中Xy为钢管桩达到屈服点时的桩顶位移)，钢管桩极限滞回耗能Eu即钢管桩达到极限状态时的累积滞回耗能，数值上等于钢管桩的各级位移加载所对应的滞回环面积之和。

图2 加载方式

图3 恢复力特性曲线

3 有限元模型

考虑码头结构受横向地震作用，取一个码头排架结构进行弹塑性动力时程分析，并在人工边界处施加纵向约束，使用ABAQUS软件建立三维有限元模型见图4，上部结构采用C3D8R单元，钢管桩采用B31单元，桩基和上部结构采用embedded约束，钢材本构采用双折线随动强化模型。利用connector连接单元实现p-y土弹簧功能，泥面以下每1 m布置一个连接单元，并将不同深度处土抗力与桩身挠度的数值关系赋予该位置处的连接单元；土弹簧一端固定，一端连接在桩身单元的节点上。模型计算分为两部分内容：1)对码头排架各个单桩进行拟静力试验模拟，获取各桩极限性能参数；2)对码头排架结构横向水平输入地震波，获得地震作用下各桩的位移、能量等响应特性。

图4 钢管桩码头排架有限元模型

本文工程实例的场地类别为Ⅲ类，设计地震特征周期为0.45 s，从文献[9]介绍的全球性强震动数据库Cosmos Virtual Data Center database中，挑选出场地条件类似的1999年9月台湾集集地震的30 s地震波TCU042见图5。为验证TCU042地震波满足场地类别与设计地震分组的要求，对该地震波进行加速度反应谱分析，并与《建筑抗震设计规范》[10]中特征周期为0.45 s的标准反应谱对比见图6。可知，TCU042地震反应谱与标准谱符合程度较高，满足《建筑抗震设计规范》要求。为研究桩基在强震作用下的破坏模式，将地震加速度时程按比例进行调幅，得到峰值加速度PGA分别为0.2g、0.4g、0.6g、0.8g和1.0g的地震波来输入，以反映出不同地震动强度下高桩码头的损伤程度。

图5 TCU042地震加速度时程曲线

图6 地震影响系数谱曲线

4 计算结果与分析

4.1 钢管桩恢复力特性

图7为1#～4#桩静力试验模拟得到的恢复力特性曲线。由图可知，从海侧向陆侧的1#～4#桩极限位移Xu逐渐减小，极限滞回耗能Eu逐渐增大。从滞回曲线上看，1#～4#桩的滞回环形状趋于饱满，说明耗能能力增强；从骨架曲线上看，由海侧向陆侧，由于桩基的入土深度逐渐增加，桩基初始刚度呈递增趋势，最大水平承载力增加，屈服位移减小，骨架曲线左移，说明抵抗位移荷载的能力变差。其中，1#与2#桩恢复力特性接近，这是由于1#桩上部横梁局部加高，导致两根桩泥面以上的自由长度相近。

图7 桩基恢复力特性曲线

4.2 结构动力时程响应

位移与滞回耗能均是用来描述地震损伤的参数，与损伤成正相关，滞回耗能是由于构件产生塑性变形而消耗的能量，故多将滞回耗能视为结构的破坏能量。图8为码头结构在地震作用下的桩顶位移响应和各桩滞回耗能响应。由图可知，各桩滞回耗能随着地震时间单调递增，原因是构件的塑性变形是不可恢复的，使滞回耗能具有累积性。地震前期由于位移较小，各桩均处于弹性阶段，累积滞回耗能为零，随着位移响应的增大，各桩在7.5 s附近先后屈服并产生滞回耗能，各桩滞回耗能的起点对应于图7各桩的屈服点，标志着桩基开始进入塑性阶段。

滞回耗能在桩群中的分配并不均匀，陆侧桩的累积滞回耗能大于其他桩，最终达到289 kN·m，占4根桩总累积滞回耗能的46%，这意味着陆侧桩在耗散地震能量中发挥了主要作用，因此也更加容易累积损伤。各桩的滞回耗能时程曲线两边平稳，中间比较陡，说明滞回耗能的累积主要发生在位移响应较大的地震中期，并且滞回耗能的突增都对应于位移响应的突变，如桩顶位移在8.7、11.2 s附近均发生较大突变，对应各桩的滞回耗能都在该时刻发生突增，说明位移和滞回耗能对于桩基损伤的描述是同步的。

注：PGA=0.8g。

地震作用下，桩身各处的弯矩不断变化，提取各桩桩身关键点的弯矩峰值，如图9所示。可以看出，各桩弯矩峰值沿高度的变化趋势是一致的，以4#桩为例，桩身弯矩从桩底先减小后增加，在高程-8.5 m(泥面以下9.2 m)达到峰值，而后在-1.8 m达到谷值，然后迅速增加，在桩顶达到最大值。根据塑性铰理论，桩身截面弯矩达到屈服弯矩，表示该处进入塑性状态，截面弯矩超过极限弯矩则可能产生塑性铰，由图9可知，各桩顶部2 m左右高度范围的桩身发展为塑性区，甚至桩顶产生塑性铰，桩身下部则保持弹性状态未产生塑性损伤。图10为桩顶截面的弯矩与剪力时程曲线，可以看出，地震作用下陆侧桩(4#桩)的桩顶弯矩与剪力均大于海侧桩(1#桩)，说明地震作用下陆侧桩的桩身内力较海侧桩大；桩顶弯矩时程响应多次达到屈服弯矩，说明桩顶在强震作用下反复进入塑性状态而累积损伤。

注：PGA=0.8g。

4.3 桩基损伤时程演化规律

图11为1#～4#桩在地震峰值加速度PGA为0.8g时的损伤演化过程，各时刻桩基的损伤值根据式(1)计算。各桩损伤值随地震时间的演化均是单调递增的，这体现了损伤是逐步累积且不可逆的。各个桩的损伤曲线趋势保持一致，损伤发展主要是在7～20 s地震位移与能量响应最剧烈的时期，但损伤程度各有不同，靠陆侧两根桩的损伤较大，最终损伤值达到0.67和0.56，靠海侧两根桩损伤程度接近，最终损伤值为0.48和0.47，损伤程度只有4#桩的约70%。

注：PGA=0.8g。

各桩损伤值在6～9 s内急剧增加，并且伴随数次突增，由于该时段内桩顶位移幅值急剧增加，损伤指标中位移项发生突增，见图12，桩基在短时间内产生大变形导致损伤突增，此后位移项损伤值便增加缓慢。由于地震初期各桩都处于弹性阶段，能量项损伤值为零，当位移响应增大并产生塑性变形，桩基逐渐累积滞回耗能，能量项开始逐渐增大，即桩基由于耗能所致的损伤在增加，18.3 s位移响应达到最大值之后，总损伤值的增加全部由能量项贡献。因此，位移项前期贡献较大，能量项后期贡献较大，总体来看，位移损伤的占比要高于耗能损伤。从损伤时程曲线看出，即便在15 s后地震波衰减阶段，桩基仍在低幅地震下反复进入塑性而继续累积损伤，使桩基逐渐失去承载力，最终可能导致整体结构发生破坏。

注：4#桩，PGA=0.8g。

4.4 桩基损伤随地震动强度的演化规律

图13为1#～4#桩基随着地震动强度的损伤演化曲线，各桩的最终损伤值随着地震峰值加速度PGA增加而增加，并且递增趋势逐渐增大。码头结构中桩基础的损伤分布是总体上由海侧向陆侧桩基损伤逐渐增大，不同地震动强度下陆侧桩的最终损伤值始终大于海侧桩，说明陆侧桩是码头结构里最易损伤的构件。各桩在地震作用下具有相同的顶部位移，而由图7的骨架曲线可知陆侧桩的刚度最大，所以陆侧桩承担了更大的水平地震作用力，见图10b)，桩身内力较大，更容易产生塑性变形，从能量角度，陆侧桩在耗散地震能量中发挥着主要作用，因此在强震作用下陆侧桩往往是码头结构里损伤最严重的构件。图13的损伤演化曲线不仅揭示了码头桩基随着地震动强度变化和桩位不同的损伤演化规律，同时也能用于预测该全直钢管桩码头在某地震动下任一桩基的损伤程度，对码头结构在强震作用下的灾害预测有较大意义。