宋波,李楊*,馮國(guó)俊,張輝
(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京100083;
2.強(qiáng)震區(qū)軌道交通工程抗震研究北京市國(guó)際科技合作基地,北京100083)
大圓筒防波堤抗震能力評(píng)估方法比較
宋波1,2,李楊1,2*,馮國(guó)俊1,2,張輝1,2
(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京100083;
2.強(qiáng)震區(qū)軌道交通工程抗震研究北京市國(guó)際科技合作基地,北京100083)
基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、Push-over方法、和推覆試驗(yàn)3種方法對(duì)大圓筒的抗震能力進(jìn)行評(píng)估。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究了未加固情況下大圓筒模型在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng);Push-over分析通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的能力譜與規(guī)范中的需求譜進(jìn)行分析,對(duì)大圓筒防波堤的抗震能力進(jìn)行了評(píng)估;推覆試驗(yàn)對(duì)大圓筒在水平力作用下的位移響應(yīng)進(jìn)行了研究。由3種不同方法可得:未加固情況下的大圓筒防波堤可以抵擋7度地震烈度,在8度地震烈度情況下將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞;Push-over方法得到結(jié)果較振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果更為保守,在實(shí)際工程運(yùn)用中會(huì)留有更多安全儲(chǔ)備,作為一種既相對(duì)簡(jiǎn)單又較為準(zhǔn)確的方法在一定程度上可以滿足工程實(shí)際的需要。
大圓筒防波堤;振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn);Push-over方法;抗震能力評(píng)估
隨著國(guó)內(nèi)深水碼頭的建設(shè),大直徑鋼筋混凝土和鋼圓筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)為薄壁筒結(jié)構(gòu),底部開(kāi)放,內(nèi)部填充碎石土、砂土等回填材料,其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單,工程造價(jià)低,施工周期短,抗震性能、止水性能優(yōu)越,且承載力高、耐久性好,適用于軟土地基[1]。但也造成了大圓筒筒壁與回填料之間相互作用機(jī)理及筒體失穩(wěn)破壞機(jī)制復(fù)雜的特點(diǎn),大直徑圓筒結(jié)構(gòu)與土體相互作用機(jī)理復(fù)雜,同時(shí)受風(fēng)、波浪等可變荷載的影響,面臨的風(fēng)險(xiǎn)比較大。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐中,由于地震和波浪而導(dǎo)致的筒形基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)破壞案例屢見(jiàn)不鮮。1995年的阪神地震中,日本人工島上的筒形基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的地面沉降和水平位移,嚴(yán)重影響了碼頭的交通運(yùn)輸[2]。長(zhǎng)江口深水航道治理二期工程中的筒形基礎(chǔ)防波堤在寒潮大浪作用下曾發(fā)生穩(wěn)定性破壞。因此,大直徑圓筒結(jié)構(gòu)碼頭的抗震設(shè)計(jì)已成為亟待研究的重要課題。
顧培英等[3-4]采用不同大圓筒模型開(kāi)展了室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,探討大圓筒深高比、徑高比對(duì)碼頭抗震性能的影響關(guān)系,主要針對(duì)自振頻率、振型、動(dòng)力放大系數(shù)等動(dòng)力特性進(jìn)行分析比較。
張建紅等[5]開(kāi)展了大圓筒基礎(chǔ)在循環(huán)動(dòng)荷載作用下的離心模型試驗(yàn),研究了在動(dòng)荷載作用下大圓筒基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng),并比較了荷載強(qiáng)度和基礎(chǔ)剛度對(duì)基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)的影響。
菅野高弘等[6](1998)基于1995年日本兵庫(kù)縣南部地震中直徑15.5 m,高度16.5 m,水深12 m的鋼圓筒結(jié)構(gòu)碼頭震害調(diào)研發(fā)現(xiàn),兩者結(jié)合可以客觀評(píng)價(jià)鋼圓筒結(jié)構(gòu)的適用性。
王元戰(zhàn)等[7-8]根據(jù)大直徑圓筒結(jié)構(gòu)的工作原理,基于重力式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算的方法,開(kāi)展了1/22的縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析,并取筒內(nèi)土體重量的70%作為抗傾穩(wěn)定的有效重量,由圓筒前趾的抗傾力矩與傾覆力矩的比值得到抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)來(lái)分析沉入式大圓筒的穩(wěn)定性。
中村充裕[9]對(duì)名古屋港的沉入式圓筒防波堤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。
本文依托委內(nèi)瑞拉卡貝略港防波堤工程,該工程位于委內(nèi)瑞拉西北部海域地區(qū),加勒比海南岸,屬?gòu)?qiáng)震區(qū)域。為滿足卡貝略港內(nèi)新建集裝箱碼頭作業(yè)要求,需新建東、西防波堤,防波堤工程采用淺埋式大圓筒結(jié)構(gòu)。東堤與碼頭用地邊界線的端點(diǎn)相交,呈折線布置,在不影響回旋水域安全使用的條件下取最短路徑,長(zhǎng)為615 m;西堤則沿西北方向延伸至深水區(qū),長(zhǎng)度為440 m,工程整體示意圖如圖1所示。
圖1 卡貝略新港一期工程平面布置示意圖Fig.1Plan layout of the first phase of Cabelo new portproject
該工程防波堤主體結(jié)構(gòu)采用直立式鋼圓筒結(jié)構(gòu)方案。大圓筒直徑為22 m,高度為22.5 m,壁厚16 mm,鋼材采用Q345。結(jié)構(gòu)典型斷面圖如圖2所示。場(chǎng)地土參數(shù)如表1所示。
圖2 防波堤結(jié)構(gòu)典型斷面Fig.2Typical cross section of the breakwater structure
表1 場(chǎng)地土參數(shù)Table 1Site soil parameters
振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)依托北京科技大學(xué)工程試驗(yàn)中心的ES-15/KE-2000液壓?jiǎn)蜗螂娨核欧降卣鹉M振動(dòng)臺(tái)系列設(shè)備進(jìn)行。該振動(dòng)臺(tái)額定荷載50 kN,滿載時(shí)最大加速度為10 m/s2,振動(dòng)臺(tái)平面尺寸為1.5 m×1.5 m。為便于試驗(yàn)現(xiàn)象觀測(cè)及數(shù)據(jù)采集,試驗(yàn)采用單筒模型,筒體材質(zhì)為有機(jī)玻璃,其密度為ρ1=1 200 kg/m3,彈性模量E1=15.5 GPa,根據(jù)試驗(yàn)條件,確定模型幾何相似系數(shù)λ=1/27.5。由模型幾何相似可計(jì)算出筒體高H=22.5m/27.5= 0.82 m,筒直徑D=22 m/27.5=0.8 m,為保證剛度相似,大圓筒壁厚設(shè)為10mm。對(duì)筒壁進(jìn)行糙化處理,使砂土與筒壁的接觸面摩擦系數(shù)達(dá)到0.6,以模擬低碳鋼筒體與砂土之間的接觸關(guān)系。特別制作一個(gè)尺寸為2 m×1 m×1.5 m的鋼制砂箱注水以模擬海洋環(huán)境(圖3)。
圖3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)Fig.3Shaking table experiment
委內(nèi)瑞拉卡貝略港防波堤分東堤和西堤,其中以東堤1-1截面為典型斷面(如圖2)。本次試驗(yàn)簡(jiǎn)化模型如圖4所示,由于實(shí)際工程中筒底埋砂層數(shù)較多,試驗(yàn)過(guò)程中不容易模擬,筒底埋砂采用具有代表性的4號(hào)土層,簡(jiǎn)化后試驗(yàn)?zāi)M土層參數(shù)如表2所示。
圖4 試驗(yàn)?zāi)P褪疽鈭DFig.4Experimental model
表2 試驗(yàn)土層參數(shù)Table 2Test soil parameters
為準(zhǔn)確模擬工程場(chǎng)地海床砂土,特別提前加載靜壓力,用以模擬工程場(chǎng)地的欠固結(jié)飽和砂層,通過(guò)地震作用下力學(xué)相似比例的土結(jié)構(gòu)相似關(guān)系和Buckingham π原理推導(dǎo)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)與模型之間的相似關(guān)系,所采用相似比如表3所示。
表3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)P拖嗨票萒able 3Similarity ratio of shaking table test model
地震波加載選取El Centro地震波,按照J(rèn)TS 146—2012《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中相對(duì)于地震烈度7度、8度、9度,分梯度加載峰值為0.1 m/s2、0.2 m/s2、0.4 m/s2的地震波,所采用地震波形如圖5所示。
圖5 加載地震波波形示意圖Fig.5Loading seismic wave forms
三輪試驗(yàn)地震波加載完成后,筒體發(fā)生不同程度的傾斜現(xiàn)象,在地震強(qiáng)度較小的情況下筒體產(chǎn)生整體平移,地震強(qiáng)度較大的情況下筒體將會(huì)傾斜,最終將會(huì)破壞,峰值為0.1 m/s2EI Centro地震作用下筒頂位移時(shí)程曲線如圖6所示,試驗(yàn)詳細(xì)結(jié)果如圖7所示。
圖6 筒頂位移時(shí)程圖Fig.6Displacement time history of cylinder top
圖7 筒頂X向最大水平位移Fig.7The maximum horizontal displacement of the cylinder top at X direction
4.1 Push-over分析方法簡(jiǎn)介
Push-over分析方法是一種能力譜與需求譜相結(jié)合的彈塑性分析方法[11],它是按一定的加載方式,對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增的水平荷載,逐步將結(jié)構(gòu)推覆至目標(biāo)位移或某一極限狀態(tài),以便分析結(jié)構(gòu)的非線性性能及變形是否滿足設(shè)計(jì)要求[12]。
4.2 基于《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》彈性反應(yīng)譜的需求譜的建立
《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了在阻尼比為0.05時(shí)的地震加速度反應(yīng)譜。這里采用折減系數(shù)R(u)對(duì)彈性動(dòng)力放大系數(shù)反應(yīng)譜(加速度反應(yīng)譜)曲線進(jìn)行折減,根據(jù)Vinidic模型[13]中的第四種模型建立需求譜。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況場(chǎng)地類型劃分Ⅱ類場(chǎng)地,設(shè)計(jì)地震分組為第二組。其中,地震系數(shù)與地震烈度關(guān)系如表4所示。
表4 地震系數(shù)k與地震烈度的關(guān)系Table 4The relationship between seismic coefficient k and seismic intensity
4.3 Push-over方法分析過(guò)程
采用Abaqus大型通用有限元軟件對(duì)大圓筒地震作用下等效恢復(fù)力與結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移的關(guān)系進(jìn)行分析。將重力荷載定義為第一工況,側(cè)向荷載的加載方式采用施加第一階振型的模態(tài)荷載,再將得到的能力曲線按式(1)、式(2)轉(zhuǎn)化為能力譜。
式中:A為擬加速度譜;D為擬位移譜;Vb為基底剪力,即所有支撐處水平反力總和;u為頂端位移;是相對(duì)于基本振型的有效質(zhì)量;Γ1是基本振型的振型參與系數(shù);為基本振型在頂端的振幅;mj為j節(jié)點(diǎn)的集中質(zhì)量;為基本振型1在j節(jié)點(diǎn)的振幅;N是節(jié)點(diǎn)數(shù)。
將大圓筒的Push-over分析得到的能力譜曲線與5%阻尼比的規(guī)范需求反應(yīng)譜繪制在一起,如圖8所示。
圖8 簡(jiǎn)化能力譜方法計(jì)算圖Fig.8Calculation chart of simplified capability spectrum method
由圖8可以看出,對(duì)于規(guī)范反應(yīng)譜,在峰值加速度PGA=0.05g和PGA=0.1g的情況下,能力譜與需求反應(yīng)譜的交點(diǎn)位于能力譜的線性段之內(nèi);大圓筒的地震反應(yīng)是彈性的;在PGA=0.2g和PGA=0.4g情況下,能力譜與需求反應(yīng)譜的交點(diǎn)位于能力譜的非線性段內(nèi),大圓筒的地震反應(yīng)進(jìn)入塑性階段。
為了驗(yàn)證Push-over對(duì)大圓筒抗震分析結(jié)果的正確性,試通過(guò)對(duì)大圓筒進(jìn)行推覆試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)進(jìn)行判斷。
試驗(yàn)采用鋼圓筒,鋼材采用Q345。模型相似比為18.3。所用細(xì)砂參數(shù)與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相同。采用液壓千斤頂提供水平推力,千斤頂最大可提供200 kN推力,壓力傳感器量程為0~300 kN,均滿足本次試驗(yàn)需求,試驗(yàn)具體情況如圖9所示。
圖9 試驗(yàn)示意圖(單位:m)Fig.9Sketch of experimental model(m)
參考《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)重力式碼頭沿高度作用于質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算說(shuō)明,將試驗(yàn)中的水平作用力轉(zhuǎn)換成不同烈度等級(jí)的地震,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10。
以上分別采用Push-over分析方法、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和推覆試驗(yàn)的方法對(duì)大圓筒防波堤的抗震能力進(jìn)行評(píng)估,對(duì)3種方法得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
由圖10可以看出Push-over分析方法較振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)得出的結(jié)果更為保守,地震作用下計(jì)算得到的筒頂水平位移更小,且隨著地震強(qiáng)度的不斷增加,Push-over分析方法越來(lái)越保守。Push-over分析方法與推覆試驗(yàn)得到結(jié)果較為吻合,最大誤差約為7%,保證了Push-over分析方法對(duì)大圓筒防波堤進(jìn)行抗震分析的可行性和正確性。
圖103 種方法結(jié)果對(duì)比Fig.10Comparison of the three methods
根據(jù)日本規(guī)范《港灣の施設(shè)の技術(shù)上の基準(zhǔn)·同解説》[14]規(guī)定,地震作用下防波堤頂部位移限值Δδ不應(yīng)大于1.5%h(h為泥面以上筒高),以本工程為例,大圓筒的位移極限為0.247 5 m。Pushover分析結(jié)果與推覆試驗(yàn)結(jié)果對(duì)大圓筒在各地震烈度水平下的破壞情況如表5所示。
表5 不同方法分析大圓筒在各地震烈度下的破壞情況Table 5The destruction of large cylinders under each earthquake intensity by different methods
由表5可知,在未加固情況下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、Push-over分析結(jié)果與推覆試驗(yàn)結(jié)果均得出大圓筒可抵抗7度地震烈度,在8度地震烈度下將發(fā)生破壞。
1)本文分別通過(guò)Push-over分析方法、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和推覆試驗(yàn)3種方法對(duì)大圓筒防波堤進(jìn)行了抗震能力評(píng)估,Push-over分析方法與推覆試驗(yàn)最終結(jié)果相差在7%左右,驗(yàn)證了Push-over分析方法對(duì)大圓筒防波堤進(jìn)行抗震分析的可行性和正確性。
2)根據(jù)日本規(guī)范《港灣の施設(shè)の技術(shù)上の基準(zhǔn)·同解説》規(guī)定,地震作用下防波堤頂部位移限值Δδ不應(yīng)大于1.5%h(h為泥面以上筒高),以本工程為例,大圓筒的位移極限為0.247 5 m,在Push-over分析方法和推覆試驗(yàn)中,大圓筒均可抵抗7度地震烈度,在8度地震烈度下發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)破壞。
3)Push-over分析方法得到結(jié)果比振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果更為保守,在實(shí)際工程運(yùn)用中會(huì)留有更多安全儲(chǔ)備。
4)動(dòng)力時(shí)程分析法技術(shù)復(fù)雜、計(jì)算工作量大、結(jié)果處理繁雜,且結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于輸入的地面運(yùn)動(dòng)情況,許多問(wèn)題在理論上還需要進(jìn)一步改進(jìn),因此很難被工程技術(shù)人員掌握。Push-over分析方法作為一種既相對(duì)簡(jiǎn)單、又較為準(zhǔn)確有效的方法在一定程度上可以滿足工程實(shí)際的需要。
[1]佐藤成.鋼板セル式岸壁の地震時(shí)挙動(dòng)に関する研究[D].東京:早稲田大學(xué),2014.
STAO Atsushi.Study on behavior of steel cell type quay wall under the earthquake[D].Tokyo:Waseda University,2014
[2]劉惠姍.1995年阪神大地震的液化特點(diǎn)[J].工程抗震,2001(1):22-26.
LIU Hui-shan.Liquefaction characteristics of Hanshin Earthquake in 1995[J].Engineering Earthquake,2001(1):22-26.
[3]顧培英,王五平.大圓筒碼頭抗震試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2003,23(2):117-122.
GU Pei-ying,WANG Wu-ping.Study on earthquake-resistance of large cylindrical wharf structures[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2003,23(2):117-122.
[4]顧培英,陳中一,王五平.大圓筒碼頭結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].中國(guó)港灣建設(shè),2000(3):21-24.
GU Pei-ying,CHEN Zhong-yi,WANG Wu-ping.Study on model tests of large cylindrical structure of wharf by shake table[J].China Harbour Engineering,2000(3):21-24.
[5]張建紅,張幸幸,林小靜,等.動(dòng)荷載作用下大圓筒基礎(chǔ)離心模型試驗(yàn)[J].中國(guó)造船,2008,49(S2):359-362.
ZHAN Jian-hong,ZHANG Xing-xing,LIN Xiao-jing,et al. Centrifuge modeling of large diameter cylinders under cyclic loading[J].Shipbuilding of China,2008,49(S2):359-362.
[6]菅野高弘,北村卓也,森田年一,等.鋼板セルの地震時(shí)挙動(dòng)に関する研究[R].橫須賀:運(yùn)輸省港灣技術(shù)研究所,1998,E-3:1 867-1 872.
SUGANO Takahiro,KITAMURA Takuya,MORITA Shichi,et al. Study on behavior of steel plate cell at earthquake[R].Yokosuka: Department of Transportation Harbor and Horticulture Research Institute,1998,E-3:1 867-1 872.
[7]王元戰(zhàn),王海龍,付瑞清.沉入式大直徑圓筒碼頭穩(wěn)定性計(jì)算方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(4):417-420.
WANG Yuan-zhan,WANG Hai-long,FU Rui-qing.Method of stability analysis of embedded large-diameter cylinder quay[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2002,24(4):417-420.
[8]王元戰(zhàn),董少偉,王玉紅.沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)入土深度計(jì)算方法研究[J].水利學(xué)報(bào),2004(4):96-100.
WANG Yuan-zhan,DONG Shao-wei,Wang Yu-hong.Calculation method for embedded depth of embedded large cylinder[J].Journal of Hydraulic Engineering,2004(4):96-100.
[9]中村充裕,上部達(dá)夫.根入れ鋼板セル護(hù)岸の地震観測(cè)と地震応答解析[R].橫須賀:運(yùn)輸省港灣技術(shù)研究所,1999,932:1-133.
NAKAMURA Mitsuhiro,UEHARA Tatsuo.Earthquake observation and earthquake response analysis of revetment steel cell revetment [R].Yokosuka:DepartmentofTransportationHarborandHorticulture Research Institute,1999,932:1-133.
[10]JTS 146—2012,水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 146—2012,Code for seismic design of water transport engineering[S].
[11]KRWAIKNLER H.Pros and Cons of a pushover analysis of seismic performance evaluation[J].Engineering Stureutres,1998,20(4): 452-464.
[12]郭子雄.基于變形的抗震設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2000.
GUO Zi-xiong.Theory and applications research of deformationbased seismic design[D].Shanghai:Tongji University,2000.
[13]VIDIC T,FAJFAR P.Consistent in elastic design spectra:strength and displacement[J].Earthquake Engineering andStructural Dynamics,1994,24(5):507-521.
[14]日本港灣協(xié)會(huì).港灣の施設(shè)の技術(shù)上の基準(zhǔn)·同解説[S].2007.
Japan Port Association.Technical standards of harbor facilities same commentary[S].2007.
Comparative study on evaluation methods of seismic capacity of large cylindrical breakwaters
SONG Bo1,2,LI Yang1,2*,FENG Guo-jun1,2,ZHANG Hui1,2
(1.School of Civil and Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2. Beijing International Cooperation Base for Science and Technology-Aseismic Research of the Rail Transit Engineering in the Strong Motion Area,Beijing 100083,China)
Based on the shaking table test,Push-over method and Push-over test,we evaluated the seismic capacity of the large cylinder.Shaking table test was carried out to study the dynamic response of the large cylinder model under the earthquake action without reinforcement.Push-over analysis method was used to evaluate the seismic capacity of the large cylinder breakwater by the capability spectra of the structure and the demand spectrum.The displacement responses of the large cylinders under the horizontal force are studied by Push-over test.We concluded that no reinforcement large cylinder breakwater case can withstand an earthquake of 7 degrees,it will occur irreversible destroy under 8 degrees earthquake;Pushover analysis results are more conservative than shaking table test results,and more safety reserves will be left in the actual engineering application.As a simple,accurate method,it can meet the actual needs of the project to some extent.
large cylinder breakwater;shaking table test;Push-over method;seismic capacity evaluation
U656.2
A
2095-7874(2017)06-0001-06
10.7640/zggwjs201706001
2016-11-05
2017-02-13
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178045);教育部海外名師資助項(xiàng)目(MS2011BJKJ)
宋波(1962—),男,山東招遠(yuǎn)人,博士,教授,結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。
*通訊作者:李楊,E-mail:lytt168@126.com