考虑波浪及地震作用的新型板桩码头稳定性能研究

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现有的传统板桩码头采用钢杆作为传力构件,众多实际工程监测及数值模拟结果中发现:钢拉杆所受到的最大应力远小于其抗拉强度,从而造成强度过度剩余。因此,本文提出了一种以价格低廉,拥有良好抗拉性能的土工格栅作为传力构件的新型板桩码头结构,通过ABAQUS软件数值模拟的方法,研究了新型板桩码头分别在静力荷载、波浪荷载及地震作用下的稳定性能,并与传统板桩码头作对比。具体研究内容如下:(1)介绍了新型板桩码头在ABAQUS计算程序中的静动力学理论,确定了新型板桩码头各种材料所采用的本构模型、计算参数、不同材料间的接触模型,给出了动力分析方法,确定了采用光滑粒子SPH法模拟波浪荷载以及采用声固耦合法模拟地震作用引起的板桩码头墙前水体的动水压力。(2)针对静力荷载作用,考虑新型板桩码头上的面荷载、前墙厚度、前墙嵌入深度、港池开挖深度、格栅强度、格栅埋置深度和格栅层数的影响,分析前墙水平位移、前墙应力、前墙墙后土压力和格栅应力,并与传统板桩码头的静载稳定性能及材料成本进行了对比,得到了静载稳定性能影响的主要与次要因素。(3)针对波浪荷载作用,选取静稳性能好的新型板桩码头计算模型,考虑波浪荷载强度对新型板桩码头的影响,分析了不同波幅和频率下的码头时程响应特征,研究了前墙水平残余位移、前墙残余应力、前墙墙后残余土压力、格栅残余应力等动力特性,并与波浪作用下的传统板桩码头的响应特征进行了对比,得出波浪荷载下新型板桩码头结构具有更优的稳定性能。(4)针对地震作用,选取静稳性能好的新型板桩码头计算模型,研究地震作用对新型板桩码头的影响,采用Python编程实现粘弹性人工边界的地震波输入方法,考虑0.1g的El-Centro地震波,研究码头上的面荷载、前墙厚度、前墙嵌入深度、港池开挖深度、格栅强度、格栅埋置深度和格栅层数等影响因素,分析前墙水平残余位移、前墙残余应力、前墙墙后残余土压力、土工格栅残余应力等地震反应特征,并与地震作用下的传统板桩码头的地震反应特征及码头工程材料成本作了对比,得到了地震作用下稳定性能影响的主要与次要因素。(5)基于前面地震作用研究的基础,选取抗震性能好的新型板桩码头计算模型,分别考虑El-Centro波和Northridge波,研究板桩码头在0.1g、0.2g和0.3g的高强度地震作用下的抗震性能,分析前墙顶部和底部加速度、水平位移和格栅应力的时程曲线以及前墙最大弯矩反应特征,并与传统板桩码头在各工况下的前墙残余位移和最大弯矩作对比。研究成果将为新型板桩码头工程应用提供参考。
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