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高桩码头叉桩节点抗震性能有限元数值模拟

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第27卷 第4期2010年12月建筑科学与工程学报Journal of Architect ure and Civil EngineeringVol.27 No.4Dec.2010文章编号:1673-2049(2010)04-0086-10收稿日期:2010-09-07基金项目:中-美合作研究项目(2004-09)作者简介:李文贵(1982-),男,湖南安仁人,同济大学工学博士研究生,E -mail:wengui.li1021@gm 。

高桩码头叉桩节点抗震性能有限元数值模拟李文贵1,2,龙炳煌2(1.同济大学建筑工程系,上海 200092; 2.武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉 430070)摘要:提出了一种新型叉桩节点的抗震性能试验方案,通过非线性有限元分析得到了叉桩节点的滞回曲线、骨架曲线、延性系数、割线刚度以及耗能能力;讨论了桩帽的配箍率、混凝土强度等级、轴压比以及桩芯配筋率等参数对叉桩节点抗震性能的影响。

结果表明:桩帽配箍率、混凝土强度等级对叉桩节点的延性和耗能能力有较大影响,桩帽轴压比对叉桩节点的承载力、刚度、延性和耗能能力均有较大影响,配置桩芯钢筋可以明显提高叉桩节点的延性和耗能能力,但配置一定数量的桩芯钢筋之后,提高桩芯配筋率对叉桩节点的延性和耗能能力影响不大。

所得结论对叉桩节点在低周反复加载下的抗震性能试验研究具有重要的参考价值。

关键词:结构设计;高桩码头;叉桩节点;非线性有限元;抗震性能;数值模拟中图分类号:T U352.1 文献标志码:AFinite Element Numerical Simulation of Seismic Behavior forBatter Pile Joint in Pile -wharf StructureLI Wen -gui 1,2,LONG Bing -huang 2(1.Department of Building Eng ineer ing,T ong ji U niv ersity ,Shanghai 200092,China; 2.School of Civ ilEng ineer ing and Ar chitectur e,Wuhan U niversit y of T echnolog y,Wuhan 430070,H ubei,China)Abstract:A test scheme on seism ic behavior of a new batter pile joint w as proposed.H ysteretic curve,skeleton cur ve,ductility co efficient,secant stiffness and dissipation capacity of the batter pile jo int w ere obtained by using nonlinear finite element analy sis.The influences of the stirr up ratio of pile cap,strength of co ncrete,ax ial load ratio and reinforcem ent ratio in the core of piles on seism ic behav io r of the batter pile joint w er e discussed.Results show that the stirrup ratio of pile cap and streng th o f concr ete are important for the ductility and dissipation capacity o f the batter pile joint,ax ial load ratio is im portant for the bearing capacity,stiffness,ductility and dissipation capacity o f the batter pile joint.Certain reinforcem ent distributio n in the core of piles can improve the ductility and dissipation capacity of the batter pile jo int.After ex ceeding the requirement quantity of r einfo rcement,the ductility and dissipation capacity o f the batter pile joint change a litter thro ug h enhancing the reinforcement ratio in the cor e of piles.The conclusio ns have important reference value fo r seismic behavior test of the batter pile jo int under low cyclic loading.Key words:str ucture design;pile -w harf;batter pile jo int;nonlinear finite element;seismic be -havior;num er ical sim ulation0引言在1976年河北唐山地震中,天津的码头遭受了严重破坏,给港口造成重大经济损失。

在26个海港码头中,除4个板桩码头外,其余22个均为高桩码头,码头总长度为4907m,其中出现中等破坏的有1106m,占22.5%。

在这22个高桩码头中,共有叉桩700对(1400根),出现断裂的有464根,占33.14%[1]。

共有桩帽700个,出现断裂的有306个,占43.71%。

在700对叉桩中总共调查了681对,叉桩及桩帽出现严重破坏的有175对,占25.70%;出现轻微破坏的有382对,占56.09%;基本完好的仅有63对,占9.25%[2]。

有关中国高桩码头抗震性能研究的文献资料至今尚不多见。

1998年,与高桩码头抗震设计有关的设计规范5高桩码头设计与施工规范6(JTJ291) 98)[3]、5港口工程桩基规范6(JTJ254)98)和5水运工程抗震设计规范6(JTJ225)98)相继修订出版。

在规范修订中,5高桩码头设计与施工规范6规范组委托武汉水利电力学院,对72个直桩桩帽和22个叉桩桩帽进行了竖向和水平荷载试验及有限元分析,但在这3个规范中都没有提出有关桩帽节点的抗震设计方法和具体的抗震构造措施设计条款。

各国的震害现象表明,高桩码头结构破坏十分严重,迫切需要采取一些措施来提高码头的抗震性能。

目前,世界上通常采用提高直桩节点抗震承载力的方法来改善高桩码头结构的抗震性能,但在提高直桩节点抗震承载力的同时,节点的刚度也会增大,从而使节点的水平地震作用增大,对直桩节点产生不利的影响。

2004年,针对中、美两国高桩码头存在的共性问题[4-5],笔者提出了一种具有铰接直桩节点和钢管叉桩节点的整浇装配式高桩码头,其结构设计思想是/削弱直桩节点的刚度,加强叉桩节点的抗震承载力和延性,通过叉桩与土的相互作用来消耗地震能量0。

为了对这种具有钢管叉桩的整浇装配式叉桩节点进行抗震性能试验研究,本文中笔者提出这种叉桩节点的试验研究方案并对其进行抗震性能的非线性有限元分析。

1叉桩节点试验1.1试件设计按照5高桩码头设计与施工规范6的要求,采用1B3的比例设计叉桩节点试件。

叉桩节点由叉桩、桩帽、桩芯和甲板所组成,如图1所示。

叉桩为一对180mm@10mm@3000mm钢管,桩帽为810mm@ 370m m@520mm接近椭圆形的空心柱体,内设桩芯,甲板尺寸为2400mm@1200mm@240m m,如图2、3所示,其中桩帽采用混凝土预制,桩芯和甲板采用混凝土现浇,支座及试验加载端部局部设置有钢板刚性垫块。

采用9个叉桩节点试件进行试验,试件参数如表1所示,桩帽配筋如图4所示。

1.2试验方案试验装置(图5):在反力槽上安装4根双铰链杆支座支撑甲板,使甲板两端可以转动,也可以水平运动,但不能竖向运动;在分配梁底面安装2个铰支座支撑钢管叉桩,使钢管叉桩端部可以转动,但不能水平和竖向运动;在分配梁顶面安装1个液压千斤顶,以施加竖向力;在反力架上安装滑动支座,使分配梁可以竖向运动,但在平面外不能运动。

加载程序:按5建筑抗震试验方法规程6(JGJ 101)96)[6]制定加载程序,先施加竖向荷载,再执行水平力(位移)加载制度。

水平力(位移)加载制度如图6所示,其中,P cr为开裂荷载,$y为屈服位移,P 为荷载,$为位移。

87第4期李文贵,等:高桩码头叉桩节点抗震性能有限元数值模拟图3桩帽几何尺寸(单位:mm)Fig.3Geometric Dimensions of Pile C ap (Unit:mm)图4桩帽配筋Fig.4Reinforcement of Pile Cap表1试件参数Tab.1Parameters of Specimens试件编号钢筋型号桩帽桩芯A 、B 型C 型D型混凝土型号甲板桩帽桩芯桩帽轴压比S 156@10056@1008512C30C35C40S 2510@100510@100C30C35C40S 358@10058@1008512C30C35C40S 4510@100510@1008512C30C35C40S 5510@100510@1008514C30C25C40S 6510@100510@1008514C30C35C40S 7510@100510@1008514C30C45C40S 8510@100510@1008514C30C35C40S 9510@100510@1008514C30C35C400.00.30.7 注:桩帽及桩芯钢筋采用H PB235;钢管采用Q235;甲板纵向采用520@100双层配筋,分布筋采用512@150。

图5叉桩试验装置Fig.5Test Device of Batter Piles图6加载制度Fig.6Loading System2有限元分析本文采用有限元软件ANSYS 对叉桩节点进行低周反复加载分析。

考虑材料的非线性[7-8],但不考88建筑科学与工程学报 2010年虑混凝土与钢筋之间的滑移,利用后处理功能,提取力与位移的对应数值,绘制节点的滞回曲线和骨架曲线。

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Ansys有限元软件辅助分析高桩码头结构设计

Ansys有限元软件辅助分析高桩码头结构设计

Ansys有限元软件辅助分析高桩码头结构设计1. 1码头的结构型式码头按结构型式可分为重力式、板桩式、高桩式、混合式码头。

重力式码头(图 1. 1)是靠自重(包括结构重量和结构范围内的填料重量)来抵抗滑动和倾倒的，从这个角度说，自重越大越好，但是地基将承受很大的压力，使地基可能丧失稳定性或产生过大的沉降。

为此需要设置基础，通过它将外力传到较大的面积的地基上或下卧硬土层上以减小地基应力，这种结构对地基的适应性比较差，主要是用于地质情况较好的地基。

板桩式码头是靠打入土中的板桩来挡土的，这种结构会使板桩受到较大的土压力。

为了减小板桩的上部位移和跨中弯矩，上部一般用拉杆拉住，拉杆力传给后面的锚旋结构。

由于板桩是一较薄弱的构件，又承受较大的土压力，所以板桩式码头是适用于挡土墙高不大的情况，一般在10米以下[}s}0高桩码头主要由上部结构和桩基两部分组成。

上部结构构成码头的地面，并把桩基连成整体，直接承受作用在码头上的水平力和垂直力，并把它们传给桩基，桩基再将这些力传给地基。

由于海岸沿线的地质条件较差，一般都为软土地基，而高桩码头适用于软土地基，因此高桩码头应用较广。

1. 2高桩码头的结构形式高桩码头结构型式的是按上部结构区分的，主要包括混凝土承台式，无梁板式，梁板式，框架式。

梁板式码头各个构件受力明确，可以采用预应力结构，提高了构件的抗裂性能。

板梁式码头的缺点是:构件的类型和数量多，施工较麻烦，上部结构底部轮廓形状复杂、死角多，水气不易排除，构件中钢筋易锈蚀[}s}0框架式码头整体性好，刚度大，但由于施工比较麻烦，造价也较高，在水位差不大的港口中逐渐被梁板式码头所替代[}s70无梁板式码头结构简单，施工迅速，造价也低。

现行的无梁板式码头面板多采用普通钢筋混凝土结构，而且靠船构件悬臂长，设计难度大，仅适用于水位差不大、集中荷载较小的中小型码头[}s}0承台式码头刚度大、整体性好，但自重大，需桩多，较适用于良好持力层不太深且能打支承桩的地基[}s}01. 3结构分析理论高桩码头传统的计算方法主要有弹性支撑连续梁法和柔性桩台法。

高桩码头桩梁节点静动态力学性能有限元分析

高桩码头桩梁节点静动态力学性能有限元分析

高桩码头桩梁节点静动态力学性能有限元分析卓杨;吴锋【摘要】采用数值模拟方法,对高桩码头排架在静、动力荷载作用下的荷载传递进行对比分析.研究指出动态荷载作用下其轴力、弯矩的传递在一定时间范围内与静态荷裁作用情况相同,因此可根据动态测试数据对节点连接状态进行分析.研究成果可以为既有高桩码头桩梁节点性能的测试、评估提供依据.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2015(000)009【总页数】6页(P65-70)【关键词】高桩码头;节点性能;动态响应;有限元【作者】卓杨;吴锋【作者单位】中交上海三航科学研究院有限公司,上海200032;中交上海三航科学研究院有限公司,上海200032【正文语种】中文【中图分类】U656.1+13高桩码头的水平承载力主要来自于码头桩基提供的水平抗力，但是桩基水平抗力的发挥，在很大程度上取决于桩基与横梁之间的连接状态。

对于单根桩基，若桩基与横梁之间的连接状态为铰接，则其水平承载力特征值将小于桩基与横梁之间的连接状态为固接的情况;对于群桩基础，其桩梁节点的连接性能对于结构的水平受力状态也有较大的影响。

目前，对于高桩码头桩梁节点性能对其水平承载力影响的研究较少。

在相关研究中，陶桂兰等[1]针对全直桩码头的特点，推导得出了全直桩码头水平力分配的计算公式;吴海根[2]利用有限元方法对排架空间结构在水平力作用下的横向位移进行了研究;杨锡鎏等[3]提出把码头面板的弹性模量设成一极小值是忽略高桩梁板式码头面板作用较为简便可行的方法;王婷婷等[4]对高桩梁板码头结构设计中的空间计算模型提出了若干建议;董华钢[5]对高桩码头设计按空间与平面计算方法进行了比较。

本文采用数值模拟方法，对高桩码头排架在静、动力荷载作用下的荷载传递进行对比分析，寻找根据码头桩梁节点附近的内力分布情况分析节点连接状态的方法，为既有高桩码头桩梁节点性能的测试、评估提供依据。

建立有斜桩的梁板式高桩码头排架模型进行仿真计算，有限元模型如图1所示。

高桩码头中桩土相互作用数值模拟研究

高桩码头中桩土相互作用数值模拟研究

高桩码头中桩土相互作用数值模拟研究坡土体会不同程度地发生变形和位移,严重影响生产安全。

为更全面了解高桩码头受力变形特性,我们对高桩码头在不同工况下承载性状进行了分析,并利用ABAQUS软件对桩基和土相互作用进行数值模拟研究。

关键词:土拱效应高桩码头ABAQUS 三维有限元高桩码头结构是近岸软土地基上最常见的港工码头结构形式,但接合位置的码头结构变形和横向错位情况十分严重。

传统的港工设计方法缺乏对桩基和岸坡相互作用的深入研究,大多停留在二维平面分析,忽略了桩和岸坡的空间特性,因此开展对高桩码头及岸坡体系的空间分析十分必要。

本项目根据目前国内外学者对高桩码头在不同工况下承载性状的研究成果,利用ABAQUS软件对高桩码头的桩基和土相互作用进行了数值模拟,以此探讨高桩码头的承载性状及其与岸坡相互作用的稳定性。

研究过程如下所述。

1 资料调研我们阅读并参考了《我国沿海地区的软粘土及其引起的工程问题》《岸坡开挖扰动对天津港高桩码头结构安全性影响的数值分析》等文献资料,重点对在承台、堆场荷载及船舶挤靠力作用下,高桩码头及其岸坡的承载变形情况进行了分析和整理。

2 模型建立我们建立的高桩码头模型中岸坡土体、桩、梁、板等均采用三维实体单元,被动桩采用矩形截面,尺寸为0.5 m×0.5 m,桩间距为3.5 m,土体坡度比为1∶3。

模型长27 m,高22 m,桩长15 m。

模型图如图1所示。

3 单元类型及材料参数本项目研究中,桩采用C3D8R实体单元,将桩身划分为均匀的六面体单元,土采用C3D4实体单元,将土体划分为四面体单元,桩与土的网格图如图2所示。

桩和土均采用理想弹性模型,摩擦系数取0.35,桩端与土采用tie约束,参数见表1。

4 不同工况下的计算结果及分析由图5看出。

①在桩顶荷载作用下,桩的沉降使土体向下运动,并向四周挤压,右边界的土体有向上运动的趋势,左边界的土体有向下运动的趋势。

②在桩顶荷载挤压下,坡上土体向下运动,挤压坡下土体使桩向左弯曲,并使坡下土体有向上运动的趋势。

高桩码头设计中有限元分析软件的应用

高桩码头设计中有限元分析软件的应用

高桩码头设计中有限元分析软件的应用发表时间：2018-12-27T14:59:24.840Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第28期作者：苏计奖刘祚秋[导读] 高桩码头是国内外港口工程中应用最为普遍的码头结构形式之一。

中山大学应用力学与工程系广东广州 510270摘要：根据工程实例，运用MIDAS/Civil有限元分析软件和上海易工工程结构集成软件，对高桩梁板式码头结构进行有限元分析计算并复核高桩码头的结构安全性。

关键词：高桩码头、结构安全、有限元高桩码头是国内外港口工程中应用最为普遍的码头结构形式之一。

高桩码头采用系列长桩打入地基形成桩基础，以承受上部结构传来的荷载，因此，安全可靠的下部桩基础是确保码头主体结构安全稳定的首要前提，在高桩码头工程设计时应特别重视对下部桩基础的验算分析。

本文根据工程实例，运用MIDAS/Civil有限元分析软件和上海易工工程结构集成软件，对高桩梁板式码头结构进行验算分析，简要介绍高桩梁板式码头工程设计有限元分析应用。

一、工程概况中山港某工程拟建设舾装码头一座，总长285m，布置5000吨级舾装泊位3个。

舾装码头长285m，宽15m。

码头典型结构段长度为30.6m，排架间距7m，考虑工程处地质起伏变化较大，淤泥层较厚，码头采用灌注桩基础，码头每榀排架由3根灌注桩组成，其中前后轨道梁下各设一根Ф1200mm灌注桩，中间设一根Ф1000mm灌注桩。

码头上部结构由现浇梁板组成，其中横梁高2m，纵梁高1.2m，面板厚0.4m。

码头结构断面见下图：图1 码头结构断面图码头系缆设施选用550kN和650kN系船柱；防撞设施选用SA400H-1500L标准橡胶护舷，变形50%，吸能量69kJ，反力413kN。

二、设计条件1、设计荷载（1）均布荷载q=20kPa；（2）25t门座起重机荷载，工作轮压：250kN/轮，8个轮子每组，轮距765mm，轨距10.5m，基距10.5m；（3）流动机械荷载：8t叉车；（4）船舶荷载：按靠泊5000吨级船设计。