CN117592253B - 一种钢管桩高桩码头损伤判定方法 - Google Patents

一种钢管桩高桩码头损伤判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钢管桩高桩码头损伤判定方法，其主要包括以下步骤：1)确定高桩码头几何结构参数、材料参数和桩身土层参数，并选取典型横断面，将码头结构简化为二维受力分析模型；2)利用等效固结法简化桩土相互作用并计算等效固结深度；3)根据桩身几何参数和材料参数计算桩屈服弯矩；4)将屈服弯矩结合力矩分配法计算得到出现首个塑性铰时的桩顶水平位移；5)以该水平位移值作为钢管桩高桩码头是否损伤的判定阈值。本发明具有操作简单，计算便捷等优点，且本发明能为高桩码头抗震设计提供通用计算理论，具有较强的工程适用性。

Description

一种钢管桩高桩码头损伤判定方法
技术领域
本发明属于高桩码头结构抗震设计分析中的位移能力分析领域，具体涉及一种钢管桩高桩码头损伤判定方法。
背景技术
码头作为重要的港口设施之一，对于维持港口的正常运营必不可少。码头结构除承受其自身重力、堆货荷载、起重运输机械荷载、船舶荷载、波浪力等荷载外，对于处于地震区的码头，还要遭受地震作用。国内外近年来的港口工程震害表明，码头结构在地震作用下易于遭到破坏，并会带来极大的直接和间接经济损失。因此，在地震作用下，判定码头结构是否损伤显得十分重要。
目前广泛利用大型有限元软件对码头结构进行数值建模，并采用Pushover方法进行码头的位移能力分析，以此判定码头是否出现损伤。
采用Pushover分析需要有限元软件建模，该过程耗费时间长，且不确定性众多。材料参数选取的不确定性、软件计算原理的不确定性和操作人员技术水平的不确定性等都会对最终的模拟结果产生直接影响。不仅模拟结果精确度有可能会无法得到保证，而且会耗费大量人力和时间。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种钢管桩高桩码头损伤判定方法，其通过简化桩土相互作用来建立高桩码头结构力学模型，有助于分析高桩码头的损伤状态与桩身的水平位移规律，从而能提高高桩码头抗震设计分析的理论应用水平，为高桩码头结构桩身水平位移的计算提供理论基础。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种一种钢管桩高桩码头损伤判定方法，其特征在于，所述简化方法主要包括以下步骤：
1)确定高桩码头几何结构参数、材料参数和桩身土层参数，并选取典型横断面，将码头结构简化为二维受力分析模型；
2)利用等效固结法简化桩土相互作用并计算等效固结深度；
3)根据桩身几何参数和材料参数计算桩屈服弯矩；
4)将屈服弯矩结合力矩分配法计算得到出现首个塑性铰时的桩顶水平位移；
5)以该水平位移值作为钢管桩高桩码头是否损伤的判定阈值。
所述钢管桩高桩码头损伤判定方法，其中，所述步骤1)中二维受力分析模型的简化过程为：
1.1)选取典型横断面；
1.2)将梁、板、桩结构简化成线；
1.3)梁、板、桩结构交点设为固结；
1.4)将土体去除，以桩底固结的形式替代土对桩的作用。
所述钢管桩高桩码头损伤判定方法，其中：所述的步骤2)中，是将复杂的桩土相互作用以计算等效固结深度的形式转化成为纯结构的力学分析模型。
所述钢管桩高桩码头损伤判定方法，其中，所述步骤2)中等效固结深度的计算过程为：
2.1)根据桩身的几何结构参数确定桩身的换算宽度b0，计算过程如下：
当d≥1.0m时：b0＝kkf(d+1)；
当d＜1.0m时：b0＝kkf(1.5d+0.5)；
式中，d为桩径或垂直于水平力作用方向桩的宽度；k为平行于水平力作用方向的桩间相互影响系数，不考虑群桩效应时取1.0；kf为桩形状换算系数圆桩或管桩取0.9，方桩或矩形桩取1.0；
2.2)根据桩身的几何结构参数和材料参数计算桩截面抗弯刚度EI，计算如下：
I为截面惯性矩，常用桩身截面惯性矩如下所示：
矩形：
实心圆：
空心圆：
式中，b为矩形宽，h为矩形高，r为桩截面内径，d为桩截面外径；E为桩身材料弹性模量，可采用钢结构设计标准GB50017-2017中表4.4.8所列的参考值；
2.3)根据桩身的土层参数确定桩侧地基土的水平抗力系数m；
2.4)根据桩与面板的连接形式确定桩顶转动刚度系数η；
2.5)根据所述步骤2.1)-2.4)，计算等效固结深度b，计算等效固结深度b，计算公式如下：
b＝η*T；
式中，T为桩的相对刚度系数，计算公式如下：
式中，E为桩材料的弹性模量；I为桩截面的惯性矩；b0为桩的换算宽度。
所述钢管桩高桩码头损伤判定方法，其中，所述步骤3)的具体过程为：
3.1)根据桩身几何参数计算桩身的塑性截面模量Z；
3.2)根据高桩码头设计参数确定轴压比其中P为桩身轴力设计值，Pye轴向屈服强度；
3.3)根据桩身材料参数确定材料期望的屈服强度Fye；
3.4)根据所述步骤3.1-3.4)，计算桩身的屈服弯矩My，计算公式如下：
所述钢管桩高桩码头损伤判定方法，其中：所述步骤4)的具体过程为；
4.1)在二维受力分析模型中，将刚臂约束施加于每根桩顶节点处；
4.2)在桩顶处逐次施加水平单位位移，计算每根桩顶的剪力V和弯矩值M，计算公式如下：
式中，l为桩顶至固结点长度，Δ为施加的水平位移量；
4.3)每次施加水平单位位移后，逐个释放陆侧到海侧的桩顶刚臂约束，进行力矩分配计算陆侧桩顶弯矩M；
4.4)当M＝My时，停止施加水平单位位移，该水平位移值即为Δy。
所述钢管桩高桩码头损伤判定方法，其中：所述的步骤4.3)中是采用力矩分配法计算陆侧桩顶弯矩M。
所述钢管桩高桩码头损伤判定方法，其中，所述陆侧桩顶弯矩M的计算过程如下：
4.3.1)计算各桩身、横梁和板的线刚度i＝EI/l；
4.3.2)计算各杆件转动刚度系数，转动刚度系数为S＝4i；
4.3.3)计算各横梁、板的传递系数；
4.3.4)计算分配系数μ，分配系数
4.3.5)计算分配弯矩，分配弯矩MF＝μ*(-Mu)，其中Mu为固端弯矩即为M1～Mn，假设有n根桩；
4.3.6)计算传递弯矩，传递弯矩
4.3.7)计算桩顶弯矩，依次由1～n顺序释放每个固端弯矩，每次仅分配一根桩顶的固端弯矩，其他桩顶保持固结状态；
4.3.8)重复上述步骤4.3.7)进行分配计算，直至桩顶节点各边弯矩值之和为0时即完成力矩分配；
4.3.9)陆侧桩顶弯矩M＝Mu+MF+Mc。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明钢管桩高桩码头损伤判定方法可方便用于高桩码头位移能力的计算和快速对高桩码头损伤状态做出判定。
本发明具有操作简单，计算便捷等优点，且本发明能为高桩码头抗震设计提供通用计算理论，具有较强的工程适用性。
本发明通过简化桩土相互作用来建立高桩码头结构力学模型，有助于分析高桩码头的损伤状态与桩身的水平位移规律，从而能提高高桩码头抗震设计分析的理论应用水平，为高桩码头结构桩身水平位移的计算提供理论基础。
本发明的计算结果已经多次与数值模拟结果检验，证实本发明的可靠性，对于地震后高桩码头的损伤状态判定起到良好的借鉴作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明钢管桩高桩码头损伤判定方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的钢管桩高桩码头损伤判定方法中涉及的钢管桩高桩码头横断面图；
图3为本发明实施例提供的钢管桩高桩码头损伤判定方法中涉及的高桩码头等效固结示意图；
图4为本发明实施例提供的钢管桩高桩码头损伤判定方法中涉及的高桩码头水平力和水平位移关系示意图；
图5为本发明实施例提供的钢管桩高桩码头损伤判定方法中涉及的高桩码头力矩分配法示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
如图1所示，本实施例提供的一种钢管桩高桩码头损伤判定方法，该方法通过简化桩土相互作用后，对码头结构进行理论力学分析，推导桩顶水平位移与高桩码头损伤判定的关系，具体包括以下步骤：
1)确定高桩码头几何结构参数、材料参数和桩身土层参数，并选取典型横断面，将码头结构简化为二维受力分析模型；具体过程为:
1.1)选取典型横断面；
1.2)将梁、板、桩结构简化成线；
1.3)梁、板、桩结构交点设为固结；
1.4)将土体去除，以桩底固结的形式替代土对桩的作用。
2)利用等效固结法简化桩土相互作用并计算等效固结深度；具体过程为：
2.1)根据桩身的几何结构参数确定桩身的换算宽度b0(m)，计算过程如下：
当d≥1.0m时：b0＝kkf(d+1)；
当d＜1.0m时：b0＝kkf(1.5d+0.5)；
式中，d为桩径或垂直于水平力作用方向桩的宽度(m)；k为平行于水平力作用方向的桩间相互影响系数，不考虑群桩效应时取1.0；kf为桩形状换算系数圆桩或管桩取0.9，方桩或矩形桩取1.0；
2.2)根据桩身的几何结构参数和材料参数计算桩截面抗弯刚度EI，计算过程如下：
I为截面惯性矩(m4)，常用桩身截面惯性矩如下所示：
矩形：
实心圆：
空心圆：
式中，b为矩形宽，h为矩形高，r为桩截面内径，d为桩截面外径；
E为桩身材料弹性模量(kN/m2)，可采用钢结构设计标准(GB50017-2017)中表4.4.8所列的参考值；
2.3)根据桩身的土层参数确定桩侧地基土的水平抗力系数m，确定过程如下：根据地质勘察报告中土层的液限指数、孔隙比、土层类型，由表1选择对应的m值；
表1非岩石土的m值
注：①表中IL为液限指数，e为孔隙比；②水平位移大于表列数值时m值应适当降低，水平位移小于表列数值时m值可适当提高；③泥面为斜面时m值应适当降低；④水平力为长期荷载时m值应将表列数值乘以0.4降低采用；⑤当地基为可液化土层是，应将表列数值乘以建筑桩基技术规范(JGJ 94-2008)表5.3.12中相应的系数
2.4)根据桩与面板的连接形式确定桩顶转动刚度系数η，取1.8～2.2，桩顶铰接或自由长度较大时取较小值，桩顶无转动或桩的自由长度较小时取较大值；
2.5)根据所述步骤2.1)-2.4)，计算等效固结深度b，计算公式如下：
b＝η*T；
式中，T为桩的相对刚度系数(m)，计算公式如下：
式中，E为桩材料的弹性模量(kN/m2)；I为桩截面的惯性矩(m4)；b0为桩的换算宽度(m)。
3)根据桩身几何参数和材料参数计算桩屈服弯矩；
3.1)根据桩身几何参数计算桩身的塑性截面模量Z，计算如下：
表2不同截面形式钢材桩塑性截面模量
3.2)根据高桩码头设计参数确定轴压比P为桩身轴力设计值，Pye轴向屈服强度，可采用钢结构设计标准(GB50017-2017)中表4.4.1所列的参考值；
3.3)根据桩身材料参数确定材料期望的屈服强度Fye，Fye为1.1倍的屈服强度标准值；可采用钢结构设计标准(GB50017-2017)中表4.4.1所列的参考值；
3.4)根据所述步骤3.1-3.4)，计算桩身的屈服弯矩My，计算公式如下：
4)将屈服弯矩结合力矩分配法计算得到出现首个塑性铰时的桩顶水平位移；具体过程如下：
4.1)在二维受力分析模型中，将刚臂约束施加于每根桩顶节点处。
4.2)在桩顶处逐次施加水平单位位移，计算每根桩顶的剪力V和弯矩值M，计算公式如下：
式中，l为桩顶至固结点长度，Δ为施加的水平位移量(m)。
4.3)每次施加水平单位位移后，逐个释放陆侧到海侧的桩顶刚臂约束，进行力矩分配计算陆侧桩顶弯矩M，计算过程如下：
4.3.1)计算各桩身、横梁和板的线刚度i＝EI/l；
4.3.2)计算各杆件转动刚度系数；
由于高桩码头结构简化后，桩底采用固结，桩顶在分析过程中施加了转动刚性约束，因此，远端支承均算为固结；转动刚度均为S＝4i；
4.3.3)计算各横梁、板的传递系数；
高桩码头结构简化后，传递系数均为1/2；
4.3.4)计算分配系数μ，分配系数
4.3.5)计算分配弯矩，分配弯矩MF＝μ*(-Mu)，其中Mu为固端弯矩(即为M1～Mn)，假设有n根桩；
4.3.6)计算传递弯矩，传递弯矩
4.3.7)计算桩顶弯矩，依次由1～n顺序释放每个固端弯矩，每次仅分配一根桩顶的固端弯矩，其他桩顶保持固结状态；
4.3.8)重复上述步骤4.3.7)进行分配计算，直至桩顶节点各边弯矩值之和为0时即完成力矩分配；
4.3.9)陆侧桩顶弯矩M＝Mu+MF+Mc。
4.4)当M＝My时，停止施加水平单位位移，该水平位移值即为Δy。
其中，上述步骤4.3)中是采用力矩分配法计算陆侧桩顶弯矩M。
5)以该水平位移值作为钢管桩高桩码头是否损伤的判定阈值。
如图2所示，本实施案例以一个实际的高桩码头为计算实例，举例而言，根据测量结果，该高桩码头结构主要结构参数和材料参数如表3所示：
表3实施例高桩码头结构与材料参数表
如图3所示，将码头结构简化成二维受力分析模型；
土层为砂土，根据水运工程桩基设计规范(JTS147-7-2022)，土层水平抗力系数m为6000kN/m4；
桩顶转动系数η取1.8～2.2，桩顶铰接或自由长度较大时取较小值，桩顶无转动或桩的自由长度较小时取较大值；
钢管桩与横梁为固接形式，桩顶转动系数η为2.2；
首先，等效固结深度b计算如下：
b＝η*T；
式中，T为桩的相对刚度系数(m)，计算如下：
E为桩材料的弹性模量(kN/m2)；I为桩截面的惯性矩(m4)；b0为桩的换算宽度(m)，计算如下：
当d≥1.0m时：b0＝kkf(d+1)；
当d＜1.0m时：b0＝kkf(1.5d+0.5)；
式中，d为桩径或垂直于水平力作用方向桩的宽度(m)；
等效固结深度b计算值为4.1m。
然后，桩身屈服弯矩My计算如下：
式中，Fye为材料期望的屈服强度，Q345型号钢材屈服强度标准值为345MPa，Fye为1.1倍的屈服强度标准值；
为轴压比，其值为0.3；
Z为塑性截面模量，计算如下：
Z＝td2 (t＜＜d)；
式中t为桩身截面壁厚。
桩身屈服弯矩My计算值为2379kN·m。
再后，如图4所示，求解桩身产生首个塑性铰产生时的桩顶水平位移Δy；
如图5所示，给码头结构桩顶施加转动刚性约束，进行力学分析；
第一步，计算各桩顶剪力和刚性约束弯矩，计算如下：
桩顶水平力F计算如下：
式中n为一排桩的数量；V1～V6为各桩顶产生相应水平位移Δ时的剪力值，计算如下：
式中l为桩顶至固结点长度；
同理，刚性约束弯矩M1～M6计算如下：
第二步，采用力矩分配法，计算如下：
计算各桩身、横梁和板的线刚度i＝EI/l；
计算各杆件转动刚度系数；
由于高桩码头结构简化后，桩底采用固结，桩顶在分析过程中施加了转动刚性约束，因此，远端支承均算为固结。转动刚度均为S＝4i；
计算各横梁、板的传递系数；
高桩码头结构简化后，传递系数均为1/2；
计算分配系数μ，分配系数
计算分配弯矩，分配弯矩MF＝μ*(-Mu)，其中Mu为固端弯矩(即为M1～M6)；
计算传递弯矩，传递弯矩
计算桩顶弯矩，依次由1～6顺序释放每个固端弯矩，每次仅分配一根桩顶的固端弯矩，其他桩顶保持固结状态；
重复上述步骤进行分配计算，直至桩顶节点各边弯矩值之和为0时即完成力矩分配。
桩顶弯矩M＝Mu+MF+Mc；
令M＝My，代入力矩分配法中，桩顶水平位移Δy计算值为0.055m。
最后，将桩顶水平位移Δy计算值为0.055m作为该高桩码头损伤判定阈值。
本发明通过简化桩土相互作用来建立高桩码头结构力学模型，有助于分析高桩码头的损伤状态与桩身的水平位移规律，从而能提高高桩码头抗震设计分析的理论应用水平，为高桩码头结构桩身水平位移的计算提供理论基础。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种钢管桩高桩码头损伤判定方法，其特征在于，所述钢管桩高桩码头损伤判定方法主要包括以下步骤：
1)确定高桩码头几何结构参数、材料参数和桩身土层参数，并选取横断面，将码头结构简化为二维受力分析模型,简化过程为：
1.1)选取横断面；
1.2)将梁、板、桩结构简化成线；
1.3)梁、板、桩结构交点设为固结；
1.4)将土体去除，以桩底固结的形式替代土对桩的作用；
2)利用等效固结法简化桩土相互作用并计算等效固结深度；其中,等效固结深度的计算过程为：
2.1)根据桩身的几何结构参数确定桩身的换算宽度b0，计算过程如下：
当d≥1.0m时：b0＝kkf(d+1)；
当d＜1.0m时：b0＝kkf(1.5d+0.5)；
式中，d为桩径或垂直于水平力作用方向桩的宽度；k为平行于水平力作用方向的桩间相互影响系数，不考虑群桩效应时取1.0；kf为桩形状换算系数圆桩或管桩取0.9，方桩或矩形桩取1.0；
2.2)根据桩身的几何结构参数和材料参数计算桩截面抗弯刚度EI，计算如下：
I为截面惯性矩，常用桩身截面惯性矩如下所示：
矩形：
实心圆：
空心圆：
式中，b为矩形宽，h为矩形高，r为桩截面内径，d为桩截面外径；E为桩身材料弹性模量；
2.3)根据桩身的土层参数确定桩侧地基土的水平抗力系数m；
2.4)根据桩与面板的连接形式确定桩顶转动刚度系数η；
2.5)根据所述步骤2.1)-2.4)，计算等效固结深度b，计算等效固结深度b，计算公式如下：
b＝η*T；
式中，T为桩的相对刚度系数，计算公式如下：
式中，E为桩材料的弹性模量；I为桩截面的惯性矩；b0为桩的换算宽度；
3)根据桩身几何参数和材料参数计算桩屈服弯矩,具体过程为：
3.1)根据桩身几何参数计算桩身的塑性截面模量Z；
3.2)根据高桩码头设计参数确定轴压比其中P为桩身轴力设计值，Pye轴向屈服强度；
3.3)根据桩身材料参数确定材料期望的屈服强度Fye；
3.4)根据所述步骤3.1)-3.4)，计算桩身的屈服弯矩My，计算公式如下：
4)将屈服弯矩结合力矩分配法计算得到出现首个塑性铰时的桩顶水平位移,具体过程为；
4.1)在二维受力分析模型中，将刚臂约束施加于每根桩顶节点处；
4.2)在桩顶处逐次施加水平单位位移，计算每根桩顶的剪力V和弯矩值M，计算公式如下：
式中，l为桩顶至固结点长度，Δ为施加的水平位移量；
4.3)每次施加水平单位位移后，逐个释放陆侧到海侧的桩顶刚臂约束，进行力矩分配计算陆侧桩顶弯矩M；
4.4)当M＝My时，停止施加水平单位位移，该水平位移值即为Δy；
5)以该水平位移值作为钢管桩高桩码头是否损伤的判定阈值。
2.如权利要求1所述的钢管桩高桩码头损伤判定方法，其特征在于：所述的步骤2)中是将复杂的桩土相互作用以计算等效固结深度的形式转化成为纯结构的力学分析模型。
3.如权利要求1所述的钢管桩高桩码头损伤判定方法，其特征在于：所述的步骤4.3)中是采用力矩分配法计算陆侧桩顶弯矩M。
4.如权利要求1所述的钢管桩高桩码头损伤判定方法，其特征在于，所述陆侧桩顶弯矩M的计算过程如下：
4.3.1)计算各桩身、横梁和板的线刚度i＝EI/l；
4.3.2)计算各杆件转动刚度系数，第j根杆件的转动刚度系数为Sj＝4i；
4.3.3)计算各横梁、板的传递系数；
4.3.4)计算分配系数μj，分配系数k为与桩顶点相连的杆件数量；
4.3.5)计算分配弯矩，分配弯矩MF＝μj*(-Mu)，其中Mu为固端弯矩即为M1～Mn，假设有n根桩；
4.3.6)计算传递弯矩，传递弯矩
4.3.7)计算桩顶弯矩，依次由1～n顺序释放每个固端弯矩，每次仅分配一根桩顶的固端弯矩，其他桩顶保持固结状态；
4.3.8)重复上述步骤4.3.7)进行分配计算，直至桩顶节点各边弯矩值之和为0时即完成力矩分配；
4.3.9)陆侧桩顶弯矩M＝Mu+MF+Mc。
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