直桩连接方式对码头结构抗震性能的影响

龙炳煌，王虹

武汉理工大学 (430070)

E-mail：binghuang_long@yahoo.com.cn

摘要：高桩码头结构在水平地震作用下极易遭受破坏，主要表现在直桩顶部抗力不足而产生的破坏。本文采取主动削弱直桩顶部弯矩的方式，通过结构分析软件ANSYS分析直桩顶部不同连接形式——刚接和铰接，对码头整体结构的抗震性能的影响。

关键词：码头刚接铰接抗震性能

1.前言

高桩码头结构在地震作用下极易遭受破坏。主要表现在直桩与码头甲板连接处的桩段出现破坏。由于直桩顶部抗力不足，在地震作用下产生的弯矩过大，从而导致码头结构的整体破坏。

码头结构就像我们平常生活一样，也遵从“能者多劳”的原则。即：在地震作用下，随着直桩顶部配筋量的增多，直桩顶部抗力也提高。但试验表明，通过配筋增强的直桩节点，在抗力提高的同时，吸收的地震能量也相应的增加，延性也会出现下降，这对码头结构的抗震是不利的。

本文设想通过改变直桩节点的连接方式，使桩顶部在地震作用下只产生较小的弯矩，甚至不产生弯矩，这样就不会出现地震时直桩顶部桩段抗力不足的问题，通过保护直桩来保护整个码头结构，使码头结构在地震作用下不至于造成过大的破坏。

为了探讨直桩节点连接方式对码头结构抗震性能的影响，本文用ANSYS对天津于家堡码头分别按直桩全部刚接，逐步变化到直桩全部铰接的5种情况进行计算。并将计算结果与震害现象进行对比分析，最后得出结论。

2.算例

1976年唐山大地震摧毁了天津附近的许多港口工程。本文以天津于家堡外贸码头为例进行计算分析。据震害调查，于家堡码头上游段直桩向河心方向倾斜，30根直桩损坏29根，叉桩全部毁坏，其向岸斜桩有的被剪断倒在水中，有的从桩帽中拔出，向河斜桩连同桩帽向前移动约70cm，使桩的斜度变陡达1:6，桩头混凝土被压碎，钢筋裸露。码头下游段整段倒入水中。

2.1工程概况

于家堡码头位于天津市附近，码头为混凝土无梁大板高桩结构。码头全长102.02米，宽

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25米，直桩间距6米，横向叉桩间距12米。码头平面及桩位布置见图1，码头所在地点的地质情况见表1。

图1 于家堡外贸码头平面及桩位图 (单位:米)

表1 于家堡外贸码头地质资料

快剪 固快

地基土层 (米) 含水量 (％) 容重 (克/厘米3)

空隙比 塑性指数 稠度

ϕ(°)C (kPa)ϕ(°) C (kPa)

A 类 41.0 1.78 1.15 13.1 1.8320° 18 25° 8

B 类 46.2 1.77 1.26 20.9 1.157° 22 12° 19

C 类

26.9 1.98 0.74 11.4 1.00

20° 15 26° 13

说明: A 类：+0.07 ~ -6.50淤泥质亚粘土夹粉砂；B 类：-6.50 ~ -12.60粘土；C 类：-12.60

~ -20.10亚粘土；-20.10米以下为密实砂。

2.2地震波选取

计算分析采用的地震波是1976年11月25日21:53分唐

山地震时天津南北向地震波记录，如图2如示。对应的周期为0.9秒，时间间隔为0.01持续时间为19.19秒。地震加速度峰值发生在7.秒，其值为145.80 cm/sec 2，相当于0.15g （1g=9.8m/s 2

），本文主要分析基本烈度为

7度时的地震作用，故在分析时在此加速度的基础上乘以1/1.5的放大系数，相当于0.1g 。

3.有限元分析

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根据《高桩码头设计与施工规范》，对码头采用平面算法，并根据“代框架法”对计算模型做了进一步简化。取图1中阴影部分作为计算单元进行计算，如图3所示。在这榀框架中， 1#，2#，3#桩按两根桩进行计算，4#，5#，6#按一根桩进行计算，甲板计算宽度取12米。

为了探讨直桩节点连接方式对码头结构抗震性能的影响，直桩节点连接方式分别按直桩刚接（0）（采用符号0表示，以下同）；3#直桩铰接（1）；2#、3#直桩铰接（2）； 1#、2#、3#直桩铰接（3）进行计算；1#、2#、3#、6#直桩铰接（4）。

于家堡码头主体结构为混凝土结构。考虑到混凝土材料的弹塑性特性，混凝土板及其下部支承桩采用平面梁单元BEAM23，其本构关系采用多线性随动强化模型，材料常数按混凝土结构设计规范确定。

图3 于家堡外贸码头横断面图图4 有限元模型中土弹簧位置图

3.2桩侧土体作用的模拟

由于考虑桩土相互作用，土体是码头结构的重要组成部分。根据文克勒假定，将桩视为“弹性地基梁”，桩侧土对桩身的水平和竖向作用力通过土弹簧来模拟。

在土体以下桩侧均匀地布置水平弹簧和竖向弹簧，如图4所示，采用单元Combin39来描述桩侧土体的作用。其中，桩侧土体作用力与位移的关系曲线根据文献[1]中所述方法确定。图5、6、7分别表示桩侧水平力-水平方向挠度、桩侧竖向力-竖向位移和桩基底部-底部位移的关系曲线。

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图5 图6 图7

4.计算结果分析

计算结果表明，在19.19秒长的时程分析结果中，最大地震反应发生在7-12秒之间，

因此本文只列出7-12秒的地震反应变化。

4.1结构的自振周期

不同直桩连接方式下码头结构的自振周期如表2如示。在直桩顶部全部刚接的情况下，

码头结构的基本周期最短。随着直桩顶部铰接点的增加，其基本周期逐渐延长。直桩顶部全

部铰接时的基本周期要比全部刚接时的长27.6%。而第2~5周期随着直桩顶部铰接点的增加

变化不大。

表2 不同直桩连接方式下码头结构的自振周期(Sec)

直桩连接方式

阶数

0 1 2 3 4

1 0.758 0.840 0.917 0.951 0.967

2 0.221 0.222 0.222 0.222 0.222

3 0.219 0.219 0.219 0.220 0.220

4 0.180 0.18

5 0.187 0.188 0.188

5 0.133 0.137 0.137 0.141 0.141

4.2码头结构的水平地震作用力

不同直桩连接方式下码头结构的水平地震作用时程曲线如图8所示。在直桩顶部全部刚

接的情况下，码头结构的水平地震作用最大。随着直桩顶部铰接点的增加，其水平地震作用

逐渐减小。不同直桩连接方式下码头结构水平地震作用的数值比较见表3。在直桩顶部全部

铰接时的水平地震作用要比全部刚接时的小28.2%。

表3 不同直桩连接方式下码头结构的水平地震作用力(kN)

直桩连接方式

水平地震作用

0 1 2 3 4

-205.65 -193.03 -185.63 最小 -238.79

-227.

最大287.08 258.10 228.11 213.75 206.17

绝对值287.08 258.10 228.11 213.75 206.17

0.745

0.718

0.9

0.795

比值 1

-4-4.3直桩顶部的弯矩

在地震作用下，码头结构的破坏主要是因为桩基顶部产生较大的弯矩而造成的破坏。如

图9所示，直桩顶部全部刚接的码头结构在水平地震作用下，近岸直桩3#顶部弯矩最大，

进而依次是直桩2#、向岸斜桩5#、直桩1#，直桩6#，向河斜桩4#顶部弯矩最小。

不同直桩连接方式下桩基顶部弯矩的情况见表4。由表4可知，从岸边到河心，当每一

根直桩顶部由刚接变为铰接时，其余刚接的直桩顶部的弯矩就会增大。当直桩顶部全部变为

表4 不同直桩连接方式下直桩顶部的弯矩(kNm)

直桩连接方式

直桩桩号

0 1 2 3 4

0 0 0 0

最小-268.10

3#

0 0 0 0

最大321.00

0 0 0 0

绝对值321.00

最小 -238.00 -302.50 0 0 0

最大 284.90 334.50 0 0 0 2#

绝对值 284.90 334.50 0 0 0

比值 1 1.174 0 0 0

最小 -90.00 -119.00 -142.60 0 0

最大 102.90 129.30 151.80 0 0 1#

绝对值 102.90 129.30 151.80 0 0

比值 1 1.257 1.475 0 0

最小-45.75 -58.92 -70.05 -75.21 0

最大54.08 65.98 76.87 81.07 0 6#

绝对值54.08 65.98 76.87 81.07 0

比值 1 1.220 1.421 1.499 0

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4.4叉桩顶部的轴力和弯矩

直桩顶部不同的连接情况下，叉桩顶部内力的变化如表5所示。无论在何种情况下，码头结构主要由叉桩来抵抗水平方向作用力。其中，向河斜桩主要承受压力，向岸斜桩主要承受拉力，在直桩顶部全部铰接时向河斜桩、向岸斜桩顶部轴向力分别比全部刚接时的大54.7%、70.9%。在直桩顶部铰接点增加的情况下，水平地震力逐渐全部转移到叉桩上，在直桩顶部采用铰接时向河斜桩、向岸斜桩顶部弯矩分别比全部刚接时的大48.9%、38.8%。

表5 不同直桩连接方式下叉桩顶部的内力

直桩连接方式

叉桩内力 叉桩桩号 0 1 2 3 4

最小 -171.50 -210.90 -237.00 -258.80 -265.30 最大 131.60 169.50 198.70 218.90 225.10 绝对值 171.50 210.90 237.00 258.90 265.30 4# 向河 斜桩 （压） 比值 1 1.230 1.382 1.510 1.547 最小 -151.20 -204.60 -261.90 -272.80 -279.30 最大 173.80 222.30 280.40 2.71 297.00 绝对值 173.80 222.30 280.40 2.71 297.00 轴力(kN)

5# 向岸 斜桩 （拉） 比值 1 1.279 1.613 1.667 1.709 最小 -39.68 -50.09 -60.91 -63.05 -65.54 最大 47.99 59.08 66.26 68.58 71.46 绝对值 47.99 59.08 66.26 68.58 71.46 4# 向河 斜桩 （压） 比值 1 1.231 1.381 1.429 1.4 最小 -48.36 -61.48 -67.78 -71.04 -74.03 最大 56.57 66.72 72.35 75.57 78.51 绝对值 56.57 66.72 72.35 75.57 78.51

弯矩(kNm)

5# 向岸 斜桩 （拉）

比值 1 1.179 1.279 1.336 1.388

4.5码头结构的水平位移

在港口工程中，一般允许桩顶有一定的水平位移。主要原因是希望能够通过桩顶部的水平位移来消耗一部分水平作用力产生的能量。不同直桩连接方式下码头结构的水平位移时程曲线如图10所示。在直桩顶部全部刚接的情况下，码头结构的水平位移最小。随着直桩顶部铰接点的增加，其水平位移逐渐增大。

平位移要比全部刚接时的大68.4%。

表6 不同直桩连接方式下码头结构的水平位移(mm)

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直桩连接方式

水平位移

0 1 2 3 4

-30.28 -32.48 -33.57 最小 -19.94

-25.18

最大16.74 22.18 27.39 29.66 30.

绝对值19.94 25.18 30.28 32.48 33.57

1.684

比值 1

1.629

1.263

1.519

5.结论

1.直桩顶部铰接的情况下，码头整体结构由刚性结构变为柔性结构，随着直桩顶部铰接

点的增加，码头整体结构的自振周期逐渐增大，码头整体结构水平方向惯性力逐渐减小。

2.直桩顶部铰接的情况下，在直桩顶部没有弯矩，所有的弯矩均由叉桩承担，在一定程

度上，使得码头结构的主要支撑构件——直桩不会因为顶部过大的弯矩而破坏，但同时要求

叉桩顶部要有足够大的刚度。

3. 铰接的实现。本文认为：可以通过调节直桩顶部与上部结构连接处配筋的多少来实现

该接头处的弯矩大小。

4.在直桩顶部全部铰接的情况下，码头整体结构的位移变大，为了避免位移过大影响码

头结构的正常使用，本文认为可以有以下几种方法实现：增加叉桩数量；有效控制直桩顶部

铰接点的数量；在接岸处采用可以吸能的橡胶材料来缓和码头结构位移过大对结构造成的影

响。

参考文献

[1]杨克己.桩基工程.人民交通出版社,1992.12

[2]邱驹.港工建筑物.天津大学出版社,2002.10

[3]刘恢先.唐山大地震(三).地震出版社,1986.7

[4]Binghuang Long and Charles W. Roeder. Dynamic Performance of Pile Wharf Structural System, A Research

Report for University of Washington, July 28,2004

[5]Charles W. Roeder etc. Seismic Performance of Pile-Wharf Connection. Pacific Earthquake Engineering

Research Center. 2001

-7-The Dynamic Performance of The Wharf Structure’s Effect to The Different Connection at The Top of The Vertical Pile

Binghuang Long，Wang Hong

Wuhan University of Technology, 430070

E-mail：binghuang_long@yahoo.com.cn

Abstract

The high pile-wharf structures are susceptible to damage in the earthquake load. Structural damage is largely due to inadequate resistance at the top of the vertical pile. In the paper, the top moment of the vertical pile is weakened initiatively. There are rigid connection and hinge connection at the top of the vertical pile to analysis the dynamic performance of the pile wharf structural system. The while analysis uses the structural software ANSYS in the paper.

Keywords: wharf, rigid connection, hinge connection，anti-seismic performance

作者简介：

龙炳煌（1955-），男，武汉理工大学土木工程与建筑学院教授，研究方向为结构理论与计算方法。

王虹（1981-），女，武汉理工大学土木工程与建筑学院硕士研究生。

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