作用的高桩码头非线性地震反应分析.pdf

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考虑桩土相互作用的高桩码头非线性地震反应分析李颖，贡金鑫ABAQUS有限元数值分析原理水利水运工学报关键中图分类号：U656．113文献标识码：A文章编号：1009-640X(20LO)02-0092—08高桩码头适用于软土地基，能承受较大荷载且砂石用量较少，在深水港口建设中得到广泛应用．在地震作用下，如果设计不当，高桩码头会发生严重震害，如1989年美国加利福尼亚州发生的LomaPrieta大地震，旧金山湾奥克兰港的第七街集装箱码头遭受严重破坏．因此，高桩码头的抗震问题日益受到重视．在高桩码头的抗震分析中，码头结构的空间动力响应和非线性桩一土动力相互作用等问题需高度重视．很多学者对高桩码头体系的抗震性能进行了研究，并得到了一些有益的结论．连竞等¨。提出高桩码头动力特性的分析方法和地震惯性力的计算方法；王守忠拉1推导出高桩码头按刚盘体系分析时的平扭耦联振动方程和地震反应的计算方法；龙炳煌等口。考虑Winkler土弹簧单元，将桩视为弹性地基粱，采用ANSYS模拟了高桩码头在不同地震烈度下叉桩的受力状态；Yan等¨。对码头主桩的抗震性能进行了有限元分析，并与简化分析法进行了比较；Mageau等¨1对地震作用下高桩码头的岸坡稳定和液化土地面运动进行了评估；Varun等∞o对简化非线性Winkler土弹簧模型作了改进和校正，对码头单桩进行了有限元地震分析；Taciroglu等¨。提出往复荷载作用下的码头单桩桩土相互作用宏观单元模型；高明,sj、Nason∽1和Mccullough。10。等则分别对强震区内的高桩码头进行了模型抗震试验，验证了码头结构基本动力性能．在上述研究中，大多数对非线性桩一土动力相互作用采用简化的模型，将桩和承台的材料性质设定为线弹性，且较少考虑材料的屈服性能和极限状态，这与实际状况不符．本文以某高桩码头为研究对象，采用ABAQUS软件对高桩码头进行了动力反应分析．计算时采用该软件中的Drucker—Prager土体非线性本构模型模拟土体在循环荷载作用下的动力特性，采用混凝土塑性损伤模型模拟混凝土在循环荷载作用下的拉、压应力一应变关系，采用标准金属模型模拟钢筋在循环荷载作用下的动力特性，建立了考虑桩土动力相互作用的高桩码头地震反应分析模型．1大型商用有限元软件ABAQUS具有较强的计算分析功能和岩土、结构材料本构模型，可进行渗流和变第2期程(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室。辽宁大连116024)摘要：采用有限元软件ABAQUS对高桩码头的地震反应进行了分析，考虑了桩一土动力相互作用、土体和桩板混凝土的动力非线性特征，分析了码头结构在不同地震作用影响下的相对位移、加速度、剪力和弯矩，确定了结构塑性铰出现的时刻和顺序，从而判明结构的屈服机制、薄弱环节以及可能的破坏类型，并在此基础上提出了设计建议．计算表明，桩的地震加速度响应随着高度的增加先增大后减小，桩身各点相对桩底的位移反应峰值从桩底到桩顶逐渐增大，桩身弯矩从桩底到岸坡面先增大后减小，在岸坡面以上，弯矩先减小后增大，最后在桩顶达到峰值，桩顶部的剪力最大．词：高桩码头；抗震分析；数值仿真；ABAQUS收稿日期：2009—07—06基金项目：教育部创新团队资助项目(IRT0518)作者简介：李颖(1982一)，女，辽宁鞍山人，博士研究生，主要从事港口工程抗震设计研究．2010年6月HYDRO-SCIENCENo．2ANDENGINEERINGJun．2010E-mail：[e-mail]
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ta叩=怎偏量第二不变量；D，：；-塑L；D：：i王旦生．；⋯为最大有效主应力；卢(8P1)=生罴(1一a)一(1+a)；8--。p‘为塑性应变率．盯0。=2c芒急厂=D。，。+压一D：=0j：+√3五+／3(否一)(孑。。。)一y(一孑。．。))一孑。(否?)=0(孑。。，)=÷(f孑。。。I+孑。。。)式中：，l=orl+or2+or3为应力张量第一不变量；以=÷[(盯l—or2)2+(矿2一or3)2+(orl一盯3)2]为应力式中：卢，or：分别为Drucker—Prager模型的内摩擦角和黏聚力．因此，在确定场地土的Mohr—Coulomb模型参数形的耦合分析、边坡稳定、固结分析，能够模拟桩土共同作用和基坑开挖过程，可以反映土与结构相互作用的复杂力学性质．该程序能够计算平面问题、轴对称问题和三维问题，可很好地模拟土体、结构和土体的接触面、板、梁及桩基础等．1．1土体本构模型因为Mohr．Coulomb屈服面在偏平面的屈服面为六角形，进行塑性分析时因角隅处塑性流动方向不唯一会引起收敛困难，所以常采用角隅处光滑的模型代替，其中最典型的就是Drucker-Prager模型，该模型通过屈服面在偏平面上外接或内