冲击荷载作用下高桩码头结构的动力响应分析.pdf

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1、第35卷第4期水道港口V0l_35No．42014年8月JournalofWaterwayandHarborAug．2014冲击荷载作用下高桩码头结构的动力0向应分析朱立岩，刘红彪，张强，张飞(1．大连港口建设监理咨询有限公司，大连116001；2．交通运输部天津水运工程科学研究所水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456)摘要：采用数学理论推导与动力时程仿真计算相结合的方式，对靠泊船舶撞击作用下高桩码头结构的动力响应及动力放大效应进行了研究，获得了多自由度结构在单点冲击荷载作用下的动力响应公式，推荐了数值计算时船舶撞击荷载的时程曲线类型及持时，获取了

2、船舶靠泊撞击荷载下高桩码头结构的动力放大效应规律。计算与分析结果表明：码头结构设计时船舶撞击荷载的取值应充分考虑码头结构的动力放大效应；靠泊船舶撞击下的高桩码头结构对撞击荷载的动力放大系数推荐为2．0。关键词：冲击荷载；船舶撞击；动力响应；高桩码头；数值模拟中图分类号：U656．1+13文献标识码：A文章编号：1005—8443(2014)04—0422—05码头结构所受的冲击荷载一般包括船舶挤靠力、系缆力、系泊船舶撞击力、靠泊船舶撞击力等，其中，靠泊船舶撞击力对码头结构的安全性影响较大n。随着水运交通行业的快速发展，船舶大型化趋势愈发显著，大型船舶进出港的频率日益提高。船舶

3、的大型化造成的靠泊撞击力增大增加了码头撞损的几率，伴随船舶进出港频率的提高，码头的疲劳损伤逐渐积累，降低了结构的安全性，缩短了码头的使用寿命。船舶靠泊时由于速度控制不当以及人为操作的失误，均会造成船舶撞击力过大，致使码头结构单个或多个构件破损，降低结构的安全性。靠泊船舶的撞击力已成影响码头结构安全性的突出问题，已引起国内工程及学术界的关注，撞击力的合理计算与分配是前期码头结构设计的关键问题。目前采用静力的方式施加船舶撞击荷载，显然忽略了结构的动力放大效应b，这使得结构的安全性降低。本文针对这种问题，采用数学理论推导和结构动力时程仿真分析相结合的方式，对系泊船舶撞击作用下高桩码

4、头结构的动力响应及动力放大效应进行研究，以获取多自由度结构在单点冲击荷载作用下的动力响应公式及相应的动力放大系数公式，推荐数值计算时船舶撞击荷载的时程曲线类型及持时，明确船舶靠泊撞击荷载下高桩码头结构的动力放大效应规律，该研究对码头结构设计时船舶撞击荷载的合理取值具有重要的理论指导意义。1冲击荷载作用下结构的动力响应方程在外荷载作用下，Ⅳ自由度体系动力方程为[，n】{越)+[c]{吐}+[】{}={P)式中：[m1为质量矩阵；[c]为阻尼矩阵；[纠为刚度矩阵；{M}为位移向量；{P}为外部激励向量。将位移u(表示为各振型叠加，如))=[纠{y)}={蝴乃(2)收稿日期：201

5、3—12—27；修回日期：2014—02—27基金项目：国家自然科学基金资助项目(51308517)作者简介：朱立岩(1964一)，男，辽宁省大连人，高级工程师，主要从事水运工程优化设计研究。Biography：ZHULi—yan(1964一)，male，seniorengineer．2014年8月朱立岩，等冲击荷载作用下高桩码头结构的动力响应分析423式中：为振型矩阵；{}为第阶振型向量；{y}为正则坐标向量。假设经典阻尼，根据振型正交性，动力方程可表示为【，n】{}+[c]’{夕}+[明{yJ={P)(3)式中：[m】．=九州】，=r[c][纠，时=】T嗍】，{P)’=[

6、纠{P1分别称之为广义质量矩阵、广义阻尼矩阵、广义刚度矩阵，广义荷载向量。由于【m】，[c]，阿均为对角阵，对角元素可表示为={}{}，={)[c]{)，={)[纠{}，其中{尸}向量的元素={){P}，则各阶振型的动力方程可表示为-I-*"+=，户1，2⋯N(4)将式(4)两边除以可得++∞2，户1，2⋯N(5)式中：、，分别为结构第阶振动的阻尼比和圆频率。根据振型标准化推导可知，∑=1，为结构第阶振型参与系数；当振型向量按一定方式正则化后，一阶振型的振型参与系数明显大于其他阶振型的参与系数，根据式(5)可知，对于任意质点位移，主要由一阶振型贡献，对于其他阶振型，振型越高，

7、其贡献量越小；同时，一般高度低于40m的结构，其动力响应主要由一阶振型贡献，故对于高桩码头结构，在冲击荷载下的动力响应可主要考虑一阶振型的贡献。冲击荷载一般近似表达为半正弦的形式，结构在某一点施加荷载时，外部激励向量可表达为{Pl={Pl(￡)0．．．0】，其中'Pl(￡)=n(6)冲击荷载下结构的动力响应按一阶振型计算，则结构的动力方程可表达为++y：量(7)式中：(P】==。当O≤≤。时，由Duhamel积分可得y：：-∞·。一in∞，一d丁(8)式中：∞。=∞。√卜；一般初始条件的初速度和初位移均