采用碳纤维布加固的高桩码头地震响应数值模拟分析

庄 宁,郑 苗,孙浩东,陈俊舟

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098;2.河海大学 水利工程实验教学中心，南京 210098 )

在应用广泛的码头形式中，高桩码头应用较多。通过震害调查可知：高桩码头上部结构主要受水平地震惯性力作用，震害相对较轻，其震害主要集中在下部结构桩基础。地震作用下高桩码头的破坏形式主要有两种：一种是土体发生液化，导致承载力不足；第二种为桩基在软硬土分界处发生桩身曲率过大,而发生破坏。同时，地震使桩基和梁相交处产生很大的弯矩和剪切力，导致基桩顶部剪断或者塑性损伤。前人的研究表明，桩板连接处最易发生破坏，加固桩板连接处可以起到增强结构的抗弯能力。

1984年日本利用碳纤维片修补铁路桥桥墩的裂缝，这是第一次试用于既存结构物。1995年阪神地震的灾后修复中大量使用了CFRP修补加固技术。美国是FRP材料应用较为广泛的国家。自20世纪30年代美国便着力于此方面的研究，主要用于航空航天领域，并相继出台了FRP在结构加固领域的标准规范。欧洲对CFRP的研究始于20世纪70年代的德国， 1997年英国至少有30座桥梁和结构物采用了CFRP加固和修补。2001年，国际结构混凝土联合会(FIB)出版了FRP加固钢筋混凝土结构设计指导规范，总结了欧洲各国在FRP加固领域的研究成果[1]。

我国目前在役很多高桩码头由于设计建设年代较早，抗震级别存在严重不足，高桩码头在使用过程中发生损坏，导致结构承载力下降，存在安全隐患，严重威胁整体结构的长期安全运营[2]。碳纤维复合材料作为补强混凝土结构技术，加固结构后具有较好的耐久性和减震效果[3]。

目前，在桥梁和房建方向等领域，徐相国[4],Mingbo D[5],张维[6]等人已做了大量研究，结果证实经碳纤维布加固后结构的抗震性明显提高。而目前对于港口工程领域利用碳纤维材料加固码头结构的研究主要集中在提高结构承载力方面，如李勇[7]针对丹东港大东港区泊位，利用碳纤维材料加固进行高桩梁板式码头的修复； Al-Salloum、Almusallam[8]研究了梁柱节点的延性，并对六个混凝土柱样品用环氧树脂粘贴碳纤维布加固后进行对比；刘阳阳等[9]通过静载试验针对高桩码头梁构件进行碳纤维布加固，实验研究结果表明，结构延性、剪切阻力等均得到提高。Ozbakkalogu等[10]使用了 FRP 永久模板加固高强混凝土方形柱并进行反复加载试验。试验结果显示，矩形截面柱进行倒角后进行 FRP 加固，有效提高 FRP 材料加固试件的承载力和抗震性能。Colomb[11]在FRP 加固短柱的试验研究中，发现加固后的短柱破坏形式由剪切破坏变为弯曲破坏和弯剪破坏，短柱的承载力和延性均得到增强了。 Colalillo[12]实验了反复荷载作用下 CFRP 加固的钢筋混凝土梁的抗剪和抗弯性能，结果表明，CFRP 加固后梁的抗剪和抗弯承载力性能较加固前均得到提高，横向粘贴 FRP 对裂缝形式和斜裂缝的开展具有很大影响。

由此可知，CFRP加固能有效提升结构的整体承载力、增强结构强度，而目前对于CFRP材料加固高桩码头时，结构抗震性能研究较少，因此开展此项研究具有十分重要的理论和实际工程意义。

1 工程概况及模型建立

表1 实际高桩码头尺寸Tab.1 Actual high pile wharf size m

本文主要依托某港区千吨级杂货泊位的高桩码头，采用的是梁板结构，地震设防烈度为8度，选择了一个码头典型结构剖面，图1为高桩码头的断面图。混凝土强度等级为C40，码头尺寸如表1所示。建设场地地质年代属于第四纪全新世层，场地类别为Ⅰ类，从上到下地层组成为亚粘土、黏土和板岩。亚粘土和黏土的土层含水量大于20%，具有很强压缩性，表现为流塑状，承载力较低，第三层的板岩为持力层。

表2 碳纤维布加固的码头的模型尺寸Tab.2 Model dimensions of wharf strengthened with fiber sheet m

本文模型基于实际工程，主要结构尺寸如表2所示，模型土体的纵向的大小为60 m，横向大小为85 m。由于码头方向结构和荷载对称，同时又考虑结构段相互独立性，建立了一个由4个排架组成的结构段来模拟码头结构，桩基编号如图2所示(同一个排架的第一个数字相同，第二个数字为该排架的桩基的序号(从海侧向陆侧))。

图1 高桩码头结构断面图(单位:高程:m;尺寸:mm)Fig.1Sectiondiagramofhighpilewharfstructure图2 高桩码头结构示意图Fig.2Schematicdiagramofhighpilewharfstructure

此次研究选取了EI-Centro波，该地震波在地震响应研究中广泛应用[13]，纵向施加地震波，持续时间15 s，其加速度如图3所示。峰值加速度为0.2 g，抗震设防烈度为8度。

模型中桩基、面板、纵梁、横梁和土体采用ABAQUS软件中的实体C3D8R单元，节省计算时间[14]。碳纤维布(CFRP)采用四节点膜单元(M3D4)进行模拟，减缩积分的四边形膜单元只有面内刚度，没有抗弯刚度[15]。混凝土部分采用的是弹塑性损伤模型[16]，可以较为真实的模拟结构在地震波下的响应。在阻尼计算方面，采用瑞利阻尼进行计算。由于后期土体在重力作用下会产生位移和应力，导致计算分析结果极不合理，本文采用initial conditions语句进行的地应力平衡方法[17]，然后再进行地震动力分析。

2 模型动力响应验证

图4 提取点位置示意图Fig.4 Illustration of extraction points

对无限元和有限元相耦合的模型(未加固碳纤维布的模型)的底部输入加速度峰值为0.1 g EI-Centro 地震波，设置观察点，然后提取其地震加速度时程，以此来观察模型的地震动力响应的情况。如图4所示，观察点A设置在桩基的中部，距离最上的土层1 m，另外观察点B设置在桩基的底部，观察点C设置在无限单元边界。输入地震波后，分别提取三个观察点的加速度时程，见图5所示。对比可知，各个观察点的加速度和对模型施加的地震波曲线线型基本相同。由于地震波传递的路径和不同的土层，各个观察点的加速度时程曲线还是存在一定的差异，各点出现峰值的时刻基本一致。另外发现越是靠近施加地震波的位置的点，观察点的加速度时程响应越是明显，波形中变动变化较多，这与土层的阻尼消耗是有关系的。各个观察点的时程曲线与输入的地震波的曲线基本一致，这就说明模型的边界设置等是可靠有效的。

5-a0.1gEI-Centro地震波5-b观察点A的加速度曲线5-c观察点B加速度曲线5-d观察点C加速度曲线图5 提取点加速度时程曲线Fig.5Accelerationtimehistorycurveofextractionpoints

3 加固部位的影响

研究表明地震中高桩码头桩基是最易发生破坏的构件[18]，因此分别建立只加固桩身顶部的工况一和加固桩基横梁节点的工况二(如图6和图7所示)以及不加固的工况三。其中，工况一的模型只加固桩基顶部1 m的长度，工况二中碳纤维布沿着桩基向下环包加固1 m，部梁底从节点处开始向左右加固U形碳纤维布各60 cm，加固方式的简图如图8所示。对比施加地震波后，三种工况下结构的地震响应。

图6 加固码头桩顶示意图Fig.6Schematicdiagramofreinforcedpiletopofwharf图7 加固的码头桩基节点示意图Fig.7Schematicdiagramofthereinforcewharfpilefoundation图8 碳纤维布加固方式的简图Fig.8SimplediagramofstrengtheningmethodofcarbonFibersheet

3.1 码头面板动力响应

图9 EI-Centro波码头面板水平位移Fig.9 Horizontal displacement of wharf panel under EI-Centro wave

图9为对不同的工况的码头结构施加EI-Centro波时码头面板的水平位移曲线。相应的面板向陆侧和海侧水平位移的峰值对比如表3所示。从图表分析可知，在地震波作用下，未加固的码头结构和仅加固桩顶的码头结构水平位移反应线型相似，峰值出现的时刻基本相同。工况一和工况二中，码头最大的负向水平位移均减小，抗震性能得到提升。相比工况一，工况二中码头面板向海陆侧的位移降低值较大，抗震性能提升幅度明显，这是由于CFRP加固节点保证了桩基和横梁共同作用，对地震作用下的响应产生较大的影响。

表3 在不同地震波作用下码头面板向海陆侧位移峰值Tab.3 Peak displacement of wharf panels to sea and land under different seismic waves m

表4 El-centro波下桩1-1桩顶峰值相对位移
Tab.4 Peak relative displacement of pile top of pile 1-1 under El-centro wave

m

图10 EI-Centro波下码头1-1桩身相对位移Fig.10 Relative displacement of wharf pile 1-1under EI-Centro wave

地震波未加固加固桩顶加固节点El-centro波0.15610.14560.1101

3.2 桩身相对位移的影响

图10为在EI-Centro波作用下不同工况下的桩身1-1相对位移响应，码头桩顶相对位移峰值如表4所示。从图表分析可知，加固前后桩身相对位移变化曲线基本相似，自桩底到桩顶，相对位移逐渐增大。由于土体与桩的相互作用，在其交界处以上5 m的位置，出现明显的拐点，斜率发生改变。同时，与未加固的桩身相比，工况一和二均减小了桩基桩顶的相对位移，提高了码头的抗震性能。但由于土体对桩基的约束作用，对桩身的影响效果较小。此外，相对于工况一，工况二能较大幅度减少桩身相对位移。

图11 EI-Centro波下不同工况的桩顶峰值弯矩Fig.11 Peak bending moment of pile top under different working conditions under EI-Centro wave

表5 EI-Centro波下桩顶弯矩值及变化率Tab.5 Moment value and change rate of pile top under EI-Centro wave

3.3 桩身弯矩响应

对三种工况下的码头结构分别施加EI-Centro波，提取各个桩基桩顶处峰值弯矩，并绘制图11。不同工况的桩基顶部峰值弯矩值及变化率如表5所示。从图表分析可知工况一和二都可以起到减小码头结构桩基顶部峰值弯矩的作用，同时工况一在地震波作用下，峰值弯矩变化率较小。可见仅加固桩基顶部并不能有效的降低桩顶的弯矩值，碳纤维布加固桩基节点的作用更加显著。

4 加固厚度的影响

由以上分析可知，与工况一相比，工况二的抗震性更加明显，故将重点研究加固码头桩基节点的地震响应。在原加固节点模型的基础上，改变碳纤维布的加固厚度来研究其对结构的影响。

4.1 码头面板动力响应

为得出碳纤维布加固厚度对码头面板动力响应的影响，设置厚度分别为1、2、3层的碳纤维布，加固的部位是码头桩基节点。图12为在EI-Centro波作用下，不同加固厚度的码头面板向海侧位移峰值的变化。码头分别加固1层和2层碳纤维布时，海侧位移峰值有较大幅度的降低，而当它加固3层时，面板向海侧位移的降低幅度不大。说明随着加固厚度的增加，位移值的降低速率减小，碳纤维布的使用效率降低。

图12 EI-Centro波下加固不同厚度码头面板向海侧位移峰值Fig.12PeakdisplacementofwharfpanelsstrengthenedwithCFRPofdifferentthicknessunderEI-Centrowave图13 不同加固厚度桩基1-1的桩身相对位移峰值响应Fig.13Peakrelativedisplacementresponseofpilefoundation1-1strengthenedwithCFRPofdifferentthickness

表6 在0.2 g的EI-Centro波下桩顶相对位移及变化率Tab.6 Relative displacement and change rate of pile top under 0.2 g EI-Centro wave

4.2 桩身相对位移的影响

图14 EI-Centro波下桩基1-1桩身峰值弯矩Fig.14 Peak bending moment of pile foundation1-1 under EI-Centro wave

图13为对加固不同厚度CFRP的码头结构施加EI-Centro波时，桩基1-1的桩身相对位移峰值曲线，桩顶相对位移及变化率如表6所示。由图表分析可知，各加固方案的桩身相对位移峰值曲线的线型基本相似，数值从桩底到桩顶逐渐增大，在桩顶处达到最大值。此外，加固厚度对桩身下部相对位移的影响不大，其作用效果主要体现在桩基顶部。加固1、2层时，桩顶相对位移降低值较大，而加固3层时变化幅度相对较小，碳纤维布材料的使用效率降低，与以上码头面板的侧向位移响应结论一致。

4.3 对桩身弯矩的影响

图14为在EI-Centro波的作用下桩基1-1桩身峰值弯矩响应。各个桩基的桩顶峰值弯矩如表7所示。从图表中可知不同加固厚度的码头结构，自桩底到桩顶，峰值弯矩变化基本一致，弯矩最大的峰值依然出现在桩基顶部。各个桩基随着加固节点厚度的增加，峰值弯矩逐渐减小。碳纤维布加固1、2层时，对弯矩值的作用效果和效率相对比较明显，而加固3层时的变化幅度较小，这是由于加固2层CFRP时，混凝土桩基节点已具有较大的强度和刚度，来提供约束力。因此针对本文的码头结构，两层碳纤维布的加固最优。

表7 EI-Centro波下桩基桩顶峰值弯矩值及变化率Tab.7 Peak bending moment and change rate of pile top under EI-Centro wave

5 结论

本文通过建立非线性有限元模型，研究了碳纤维布的加固部位、加固厚度等不同加固参数对结构动力响应的影响，分析加固前后高桩码头面板和桩基的位移、弯矩、加速度变化规律。得出以下结论：

(1)通过对比碳纤维布加固前后的结构地震动力响应，研究发现加固后的码头水平位移和面板加速度减小。在相同的地震波作用下，桩身的相对位移减小，桩顶峰值弯矩也明显减小，说明CFRP加固方式非常有效，可显著提升码头的抗震能力，可应用于实际工程；

(2)对于碳纤维布仅加固码头桩基桩顶部位的方案，对提升码头整体的抗震性能十分有限，而加固桩基节点的方案可以十分有效地降低码头面板的水平位移和桩身桩顶处的弯矩值，提升码头的抗震能力；

(3)增加碳纤维布加固的厚度可以提升结构的刚度，降低结构在地震波作用下的位移和弯矩值，加固厚度的增加和强度的提高之间并不存在线形关系，在考虑材料加固成本和提升效果的情况下，存在一个最优加固厚度，对于本文的码头结构，加固两层碳纤维布是最优的。