宋波1，2，李杨1，2*，冯国俊1，2，张辉1，2
（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083；
2.强震区轨道交通工程抗震研究北京市国际科技合作基地，北京100083）
摘要：基于振动台试验、Push-over方法、和推覆试验3种方法对大圆筒的抗震能力进行评估。振动台试验研究了未加固情况下大圆筒模型在地震作用下的动力响应；Push-over分析通过对结构的能力谱与规范中的需求谱进行分析，对大圆筒防波堤的抗震能力进行了评估；推覆试验对大圆筒在水平力作用下的位移响应进行了研究。由3种不同方法可得：未加固情况下的大圆筒防波堤可以抵挡7度地震烈度，在8度地震烈度情况下将发生不可逆转的破坏；Push-over方法得到结果较振动台试验结果更为保守，在实际工程运用中会留有更多安全储备，作为一种既相对简单又较为准确的方法在一定程度上可以满足工程实际的需要。
关键词：大圆筒防波堤；振动台试验；Push-over方法；抗震能力评估
随着国内深水码头的建设，大直径钢筋混凝土和钢圆筒结构应用也越来越广泛。沉入式大圆筒结构为薄壁筒结构，底部开放，内部填充碎石土、砂土等回填材料，其结构形式简单，工程造价低，施工周期短，抗震性能、止水性能优越，且承载力高、耐久性好，适用于软土地基[1]。但也造成了大圆筒筒壁与回填料之间相互作用机理及筒体失稳破坏机制复杂的特点，大直径圆筒结构与土体相互作用机理复杂，同时受风、波浪等可变荷载的影响，面临的风险比较大。国内外工程实践中，由于地震和波浪而导致的筒形基础防波堤结构破坏案例屡见不鲜。1995年的阪神地震中，日本人工岛上的筒形基础防波堤结构产生较大的地面沉降和水平位移，严重影响了码头的交通运输[2]。长江口深水航道治理二期工程中的筒形基础防波堤在寒潮大浪作用下曾发生稳定性破坏。因此，大直径圆筒结构码头的抗震设计已成为亟待研究的重要课题。
顾培英等[3-4]采用不同大圆筒模型开展了室内振动台试验研究，探讨大圆筒深高比、径高比对码头抗震性能的影响关系，主要针对自振频率、振型、动力放大系数等动力特性进行分析比较。
张建红等[5]开展了大圆筒基础在循环动荷载作用下的离心模型试验，研究了在动荷载作用下大圆筒基础的动力响应，并比较了荷载强度和基础刚度对基础动力响应的影响。
菅野高弘等[6]（1998）基于1995年日本兵库县南部地震中直径15.5 m，高度16.5 m，水深12 m的钢圆筒结构码头震害调研发现，两者结合可以客观评价钢圆筒结构的适用性。
王元战等[7-8]根据大直径圆筒结构的工作原理，基于重力式结构稳定性验算的方法，开展了1/22的缩尺模型振动台试验和数值模拟分析，并取筒内土体重量的70%作为抗倾稳定的有效重量，由圆筒前趾的抗倾力矩与倾覆力矩的比值得到抗倾覆稳定性安全系数来分析沉入式大圆筒的稳定性。
中村充裕[9]对名古屋港的沉入式圆筒防波堤结构进行了地震现场监测。
本文依托委内瑞拉卡贝略港防波堤工程，该工程位于委内瑞拉西北部海域地区，加勒比海南岸，属强震区域。为满足卡贝略港内新建集装箱码头作业要求，需新建东、西防波堤，防波堤工程采用浅埋式大圆筒结构。东堤与码头用地边界线的端点相交，呈折线布置，在不影响回旋水域安全使用的条件下取最短路径，长为615 m；西堤则沿西北方向延伸至深水区，长度为440 m，工程整体示意图如图1所示。
图1 卡贝略新港一期工程平面布置示意图
Fig.1Plan layout of the first phase of Cabelo new port
project
该工程防波堤主体结构采用直立式钢圆筒结构方案。大圆筒直径为22 m，高度为22.5 m，壁厚16 mm，钢材采用Q345。结构典型断面图如图2所示。场地土参数如表1所示。
图2 防波堤结构典型断面
Fig.2Typical cross section of the breakwater structure
表1 场地土参数
Table 1Site soil parameters
土层编号重度/（kN·m-3）平均N值/击回填砂18.0 0 28 20 1 20.5 0 42 15 2 20.5 0 42 52 3 19.3 42 21.8 37 4 20.5 0 42 36 5 19.4 13 21.7 19 6 20.5 0 42 50 7 19.4 13 21.7 35黏聚力/（kN·m-2）内摩擦角/（°）
振动台试验依托北京科技大学工程试验中心的ES-15/KE-2000液压单向电液伺服式地震模拟振动台系列设备进行。该振动台额定荷载50 kN，满载时最大加速度为10 m/s2，振动台平面尺寸为1.5 m×1.5 m。为便于试验现象观测及数据采集，试验采用单筒模型，筒体材质为有机玻璃，其密度为ρ1=1 200 kg/m3，弹性模量E1=15.5 GPa，根据试验条件，确定模型几何相似系数λ=1/27.5。由模型几何相似可计算出筒体高H=22.5m/27.5= 0.82 m，筒直径D=22 m/27.5=0.8 m，为保证刚度相似，大圆筒壁厚设为10mm。对筒壁进行糙化处理，使砂土与筒壁的接触面摩擦系数达到0.6，以模拟低碳钢筒体与砂土之间的接触关系。特别制作一个尺寸为2 m×1 m×1.5 m的钢制砂箱注水以模拟海洋环境（图3）。
图3 振动台试验
Fig.3Shaking table experiment
委内瑞拉卡贝略港防波堤分东堤和西堤，其中以东堤1-1截面为典型断面（如图2）。本次试验简化模型如图4所示，由于实际工程中筒底埋砂层数较多，试验过程中不容易模拟，筒底埋砂采用具有代表性的4号土层，简化后试验模拟土层参数如表2所示。
图4 试验模型示意图
Fig.4Experimental model
表2 试验土层参数
Table 2Test soil parameters
序号土层重度/(kN·m-3)内摩擦角/(°) N值/击1回填砂18.0 28 20 2筒底砂20.5 42 36
为准确模拟工程场地海床砂土，特别提前加载静压力，用以模拟工程场地的欠固结饱和砂层，通过地震作用下力学相似比例的土结构相似关系和Buckingham π原理推导实际工程结构与模型之间的相似关系，所采用相似比如表3所示。
表3 振动台试验模型相似比
Table 3Similarity ratio of shaking table test model
序号项目原型/模型相似比1长度L λ 27.5 2密度ρ 1 1.0 3时间t λ0.7512.0 4应力σ λ 27.5 5孔隙水压力P λ 27.5 6位移S λ 27.5 7速度V λ0.7512.0 8加速度A 1 1.0 9应变ε λ0.55.2 10孔隙比γIλ0.7512.0
地震波加载选取El Centro地震波，按照JTS 146—2012《水运工程抗震设计规范》[10]中相对于地震烈度7度、8度、9度，分梯度加载峰值为0.1 m/s2、0.2 m/s2、0.4 m/s2的地震波，所采用地震波形如图5所示。
图5 加载地震波波形示意图
Fig.5Loading seismic wave forms
三轮试验地震波加载完成后，筒体发生不同程度的倾斜现象，在地震强度较小的情况下筒体产生整体平移，地震强度较大的情况下筒体将会倾斜，最终将会破坏，峰值为0.1 m/s2EI Centro地震作用下筒顶位移时程曲线如图6所示，试验详细结果如图7所示。
图6 筒顶位移时程图
Fig.6Displacement time history of cylinder top
图7 筒顶X向最大水平位移
Fig.7The maximum horizontal displacement of the cylinder top at X direction
4.1 Push-over分析方法简介
Push-over分析方法是一种能力谱与需求谱相结合的弹塑性分析方法[11]，它是按一定的加载方式，对结构施加单调递增的水平荷载，逐步将结构推覆至目标位移或某一极限状态，以便分析结构的非线性性能及变形是否满足设计要求[12]。
4.2 基于《水运工程抗震设计规范》弹性反应谱的需求谱的建立
《水运工程抗震设计规范》给出了在阻尼比为0.05时的地震加速度反应谱。这里采用折减系数R（u）对弹性动力放大系数反应谱（加速度反应谱）曲线进行折减，根据Vinidic模型[13]中的第四种模型建立需求谱。根据现场实际情况场地类型划分Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组。其中，地震系数与地震烈度关系如表4所示。
表4 地震系数k与地震烈度的关系
Table 4The relationship between seismic coefficient k and seismic intensity
地震烈度6 7 8 9地震系数k 0.05 0.1 0.2 0.4
4.3 Push-over方法分析过程
采用Abaqus大型通用有限元软件对大圆筒地震作用下等效恢复力与结构目标位移的关系进行分析。将重力荷载定义为第一工况，侧向荷载的加载方式采用施加第一阶振型的模态荷载，再将得到的能力曲线按式（1）、式（2）转化为能力谱。
式中：A为拟加速度谱；D为拟位移谱；Vb为基底剪力，即所有支撑处水平反力总和；u为顶端位移；
将大圆筒的Push-over分析得到的能力谱曲线与5%阻尼比的规范需求反应谱绘制在一起，如图8所示。
图8 简化能力谱方法计算图
Fig.8Calculation chart of simplified capability spectrum method
由图8可以看出，对于规范反应谱，在峰值加速度PGA=0.05g和PGA=0.1g的情况下，能力谱与需求反应谱的交点位于能力谱的线性段之内；大圆筒的地震反应是弹性的；在PGA=0.2g和PGA=0.4g情况下，能力谱与需求反应谱的交点位于能力谱的非线性段内，大圆筒的地震反应进入塑性阶段。
为了验证Push-over对大圆筒抗震分析结果的正确性，试通过对大圆筒进行推覆试验的结果来进行判断。
试验采用钢圆筒，钢材采用Q345。模型相似比为18.3。所用细砂参数与振动台试验相同。采用液压千斤顶提供水平推力，千斤顶最大可提供200 kN推力，压力传感器量程为0～300 kN，均满足本次试验需求，试验具体情况如图9所示。
图9 试验示意图（单位：m）
Fig.9Sketch of experimental model（m）
参考《水运工程抗震设计规范》中有关重力式码头沿高度作用于质点i的水平向地震惯性力标准值的计算说明，将试验中的水平作用力转换成不同烈度等级的地震，试验结果见图10。
以上分别采用Push-over分析方法、振动台试验和推覆试验的方法对大圆筒防波堤的抗震能力进行评估，对3种方法得出的结果进行对比。
由图10可以看出Push-over分析方法较振动台试验得出的结果更为保守，地震作用下计算得到的筒顶水平位移更小，且随着地震强度的不断增加，Push-over分析方法越来越保守。Push-over分析方法与推覆试验得到结果较为吻合，最大误差约为7%，保证了Push-over分析方法对大圆筒防波堤进行抗震分析的可行性和正确性。
图103 种方法结果对比
Fig.10Comparison of the three methods
根据日本规范《港湾の施設の技術上の基準·同解説》[14]规定，地震作用下防波堤顶部位移限值Δδ不应大于1.5%h（h为泥面以上筒高），以本工程为例，大圆筒的位移极限为0.247 5 m。Pushover分析结果与推覆试验结果对大圆筒在各地震烈度水平下的破坏情况如表5所示。
表5 不同方法分析大圆筒在各地震烈度下的破坏情况
Table 5The destruction of large cylinders under each earthquake intensity by different methods
项目9地震烈度/度6 7 8 Push-over结构完好结构完好结构破坏结构破坏振动台试验—结构完好结构破坏结构破坏推覆试验结构完好结构完好结构破坏结构破坏
由表5可知，在未加固情况下振动台试验、Push-over分析结果与推覆试验结果均得出大圆筒可抵抗7度地震烈度，在8度地震烈度下将发生破坏。
1）本文分别通过Push-over分析方法、振动台试验和推覆试验3种方法对大圆筒防波堤进行了抗震能力评估，Push-over分析方法与推覆试验最终结果相差在7%左右，验证了Push-over分析方法对大圆筒防波堤进行抗震分析的可行性和正确性。
2）根据日本规范《港湾の施設の技術上の基準·同解説》规定，地震作用下防波堤顶部位移限值Δδ不应大于1.5%h（h为泥面以上筒高），以本工程为例，大圆筒的位移极限为0.247 5 m，在Push-over分析方法和推覆试验中，大圆筒均可抵抗7度地震烈度，在8度地震烈度下发生不可逆转破坏。
3）Push-over分析方法得到结果比振动台试验结果更为保守，在实际工程运用中会留有更多安全储备。
4）动力时程分析法技术复杂、计算工作量大、结果处理繁杂，且结果的准确性很大程度上依赖于输入的地面运动情况，许多问题在理论上还需要进一步改进，因此很难被工程技术人员掌握。Push-over分析方法作为一种既相对简单、又较为准确有效的方法在一定程度上可以满足工程实际的需要。
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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）
Abstract：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.
Key words：large cylinder breakwater;shaking table test；Push-over method;seismic capacity evaluation
中图分类号：U656.2
文献标志码：A
文章编号：2095-7874（2017）06-0001-06
doi：10.7640/zggwjs201706001
收稿日期：2016-11-05
修回日期：2017-02-13
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51178045）；教育部海外名师资助项目（MS2011BJKJ）
作者简介：宋波（1962—），男，山东招远人，博士，教授，结构工程专业。
*通讯作者：李杨，E-mail：lytt168@126.com
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