深水港口大直径钢管桩基础抗震性能试验与数值模拟分析

一、引言

随着全球贸易的快速发展，深水港口建设规模不断扩大。大直径钢管桩基础凭借其强度高、承载能力大、施工便捷等优势，在深水港口工程中得到广泛应用。然而，在地震频发地区，深水港口面临着严峻的抗震安全挑战，钢管桩基础作为港口结构的关键承载部件，其抗震性能直接关系到港口设施的安全稳定 。目前，针对深水港口大直径钢管桩基础抗震性能的研究相对不足，现有研究多集中于理论分析和数值模拟，缺乏系统的试验验证。因此，开展深水港口大直径钢管桩基础抗震性能试验与数值模拟分析，对保障深水港口抗震安全、推动港口工程技术发展具有重要意义。

二、深水港口大直径钢管桩基础抗震性能试验

2.1 试验模型设计

在进行试验模型设计时，遵循了相似理论的指导原则，构建了一个1:10的缩尺比例模型，以模拟钢管桩基础的实际工作情况。该试验模型由几个关键部分组成，包括钢管桩、承台以及模拟地基土。钢管桩是用Q345 钢材制成的，具有 300mm 的桩径和 8mm 的壁厚，其入土深度被设定为 3 米。承台的尺寸为1.5 米乘以1.5 米，厚度为0.5 米。模拟地基土的构建采用了分层填筑的方法，根据实际工程地质条件，选择了砂土和黏土作为试验土料。通过精确控制土料的含水率和压实度，能够模拟出不同土层的物理力学性质，从而更真实地反映钢管桩基础在实际工作环境中的表现。

2.2 试验设备与测量系统

试验在大型振动台试验系统上进行，该系统可模拟不同类型的地震波，最大振动加速度可达 2g 。在试验模型上布置加速度传感器、位移传感器和应变片，用于测量钢管桩不同部位的加速度响应、位移变化和应变分布。加速度传感器分别布置在承台顶面、桩顶和桩身不同深度处；位移传感器设置在承台边缘和桩顶；应变片粘贴在桩身关键截面，如桩顶、桩身中部和桩底，以获取桩身应力应变状态。

2.3 试验工况设置

选取 EI - Centro 波、Taft 波和人工合成地震波作为输入地震波，分别模拟小震、中震和大震工况 。每种地震波设置不同的峰值加速度，小震工况峰值加速度为 0.1g ，中震工况为 0.2g ，大震工况为 0.4g 。试验时，依次输入不同地震波和峰值加速度的地震激励，记录试验模型在各工况下的响应数据。

2.4 试验结果分析

试验结果表明，在小震工况下，钢管桩基础的加速度响应和位移较小，桩身应变处于弹性阶段，结构整体性能良好 。随着地震强度增加，进入中震工况后，桩身中部和桩底部位出现明显的应变集中现象，部分区域钢材进入塑性状态，承台与桩身连接处产生微小裂缝。在大震工况下，钢管桩基础的位移显著增大，桩身发生明显的弯曲变形，部分应变片测量值超过钢材的屈服强度，结构出现塑性铰，承台裂缝进一步扩展。通过分析试验数据，得到了钢管桩基础在不同地震工况下的受力变形规律，为后续数值模拟提供了可靠的试验依据。

三、深水港口大直径钢管桩基础数值模拟分析

3.1 有限元模型建立

在本研究中，基于试验模型的参数，运用了 ANSYS 这一强大的有限元分析软件，构建了深水港口大直径钢管桩基础的数值模型。在模型构建过程中，采用了 Shell181 单元来模拟钢管桩，因为这种单元特别适用于薄壁结构的分析，能够精确地模拟出钢管桩的力学性能。对于承台部分，使用了Solid185 单元进行模拟。至于地基土的模拟，采用了弹簧-阻尼单元，通过精心设置弹簧的刚度和阻尼系数，以达到模拟地基土对钢管桩基础约束作用的目的。在模型中，还考虑了钢材的弹塑性本构关系，并采用了双线性随动强化模型来描述钢材的应力应变行为。对于地基土，采用了摩尔-库仑屈服准则，以模拟土体的非线性力学特性。

3.2 模型验证

为了验证所建立模型的准确性，将数值模拟的结果与实际的试验数据进行了详细的对比分析。对比的内容涵盖了承台加速度响应、桩顶位移以及桩身关键截面的应变等多个方面。分析结果显示，通过数值模拟得到的加速度时程曲线、位移时程曲线以及应变分布规律与试验结果之间有着良好的吻合度。各项关键指标的误差均在可接受的范围内，这充分证明了所建立的有限元模型能够准确地反映出深水港口大直径钢管桩基础的力学性能。因此，该模型可以被信赖并用于后续的参数化分析工作。

3.3 参数化分析

在验证了有限元模型的准确性之后，利用该模型进行了参数化分析，目的是为了研究桩径、壁厚、入土深度等关键因素对钢管桩基础抗震性能的影响。通过一系列的分析，发现增大桩径和壁厚能够显著提高钢管桩基础的抗弯刚度和承载能力，同时还能有效降低桩身的应力应变水平，从而增强其抗震性能。此外，增加入土深度可以使桩基础获得更好的嵌固效果，进而减小地震作用下的位移响应。然而，当入土深度超过某一特定值后，其对抗震性能的提升效果会逐渐减弱。通过这些参数化分析，明确了各参数对钢管桩基础抗震性能的影响规律，这些发现为钢管桩基础的优化设计提供了重要的参考依据。

四、结论

本论文通过开展深水港口大直径钢管桩基础抗震性能试验与数值模拟分析，得到以下结论：首先，振动台试验揭示了钢管桩基础在不同地震工况下的受力变形规律，验证了其在地震作用下的非线性力学行为 。其次，建立的有限元数值模型能够准确模拟钢管桩基础的抗震性能，通过参数化分析明确了桩径、壁厚、入土深度等因素对其抗震性能的影响。研究成果为深水港口大直径钢管桩基础抗震设计提供了试验数据和理论支持，有助于提高深水港口结构的抗震安全性。未来研究可进一步考虑复杂地质条件、土 - 桩 - 结构相互作用等因素对钢管桩基础抗震性能的影响，完善抗震设计理论与方法。

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