沖擊荷載作用下高樁碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)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沖擊荷載作用下高樁碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力0向應(yīng)分析朱立巖，劉紅彪，張強(qiáng)，張飛(1．大連港口建設(shè)監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，大連116001；2．交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456)摘要：采用數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)與動(dòng)力時(shí)程仿真計(jì)算相結(jié)合的方式，對(duì)靠泊船舶撞擊作用下高樁碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及動(dòng)力放大效應(yīng)進(jìn)行了研究，獲得了多自由度結(jié)構(gòu)在單點(diǎn)沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)公式，推薦了數(shù)值計(jì)算時(shí)船舶撞擊荷載的時(shí)程曲線(xiàn)類(lèi)型及持時(shí)，獲取了

2、船舶靠泊撞擊荷載下高樁碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大效應(yīng)規(guī)律。計(jì)算與分析結(jié)果表明：碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)船舶撞擊荷載的取值應(yīng)充分考慮碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大效應(yīng)；靠泊船舶撞擊下的高樁碼頭結(jié)構(gòu)對(duì)撞擊荷載的動(dòng)力放大系數(shù)推薦為2．0。關(guān)鍵詞：沖擊荷載；船舶撞擊；動(dòng)力響應(yīng)；高樁碼頭；數(shù)值模擬中圖分類(lèi)號(hào)：U656．1+13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005—8443(2014)04—0422—05碼頭結(jié)構(gòu)所受的沖擊荷載一般包括船舶擠靠力、系纜力、系泊船舶撞擊力、靠泊船舶撞擊力等，其中，靠泊船舶撞擊力對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的安全性影響較大n。隨著水運(yùn)交通行業(yè)的快速發(fā)展，船舶大型化趨勢(shì)愈發(fā)顯著，大型船舶進(jìn)出港的頻率日益提高。船舶

3、的大型化造成的靠泊撞擊力增大增加了碼頭撞損的幾率，伴隨船舶進(jìn)出港頻率的提高，碼頭的疲勞損傷逐漸積累，降低了結(jié)構(gòu)的安全性，縮短了碼頭的使用壽命。船舶靠泊時(shí)由于速度控制不當(dāng)以及人為操作的失誤，均會(huì)造成船舶撞擊力過(guò)大，致使碼頭結(jié)構(gòu)單個(gè)或多個(gè)構(gòu)件破損，降低結(jié)構(gòu)的安全性?？坎创暗淖矒袅σ殉捎绊懘a頭結(jié)構(gòu)安全性的突出問(wèn)題，已引起國(guó)內(nèi)工程及學(xué)術(shù)界的關(guān)注，撞擊力的合理計(jì)算與分配是前期碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。目前采用靜力的方式施加船舶撞擊荷載，顯然忽略了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大效應(yīng)b，這使得結(jié)構(gòu)的安全性降低。本文針對(duì)這種問(wèn)題，采用數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程仿真分析相結(jié)合的方式，對(duì)系泊船舶撞擊作用下高樁碼

4、頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及動(dòng)力放大效應(yīng)進(jìn)行研究，以獲取多自由度結(jié)構(gòu)在單點(diǎn)沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)公式及相應(yīng)的動(dòng)力放大系數(shù)公式，推薦數(shù)值計(jì)算時(shí)船舶撞擊荷載的時(shí)程曲線(xiàn)類(lèi)型及持時(shí)，明確船舶靠泊撞擊荷載下高樁碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大效應(yīng)規(guī)律，該研究對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)船舶撞擊荷載的合理取值具有重要的理論指導(dǎo)意義。1沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)方程在外荷載作用下，Ⅳ自由度體系動(dòng)力方程為[，n】{越)+[c]{吐}+[】{}={P)式中：[m1為質(zhì)量矩陣；[c]為阻尼矩陣；[糾為剛度矩陣；{M}為位移向量；{P}為外部激勵(lì)向量。將位移u(表示為各振型疊加，如))=[糾{y)}={蝴乃(2)收稿日期：201

5、3—12—27；修回日期：2014—02—27基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308517)作者簡(jiǎn)介：朱立巖(1964一)，男，遼寧省大連人，高級(jí)工程師，主要從事水運(yùn)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。Biography：ZHULi—yan(1964一)，male，seniorengineer．2014年8月朱立巖，等沖擊荷載作用下高樁碼頭結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析423式中：為振型矩陣；{}為第階振型向量；{y}為正則坐標(biāo)向量。假設(shè)經(jīng)典阻尼，根據(jù)振型正交性，動(dòng)力方程可表示為【，n】{}+[c]’{夕}+[明{yJ={P)(3)式中：[m】．=九州】，=r[c][糾，時(shí)=】T嗍】，{P)’=[

6、糾{P1分別稱(chēng)之為廣義質(zhì)量矩陣、廣義阻尼矩陣、廣義剛度矩陣，廣義荷載向量。由于【m】，[c]，阿均為對(duì)角陣，對(duì)角元素可表示為={}{}，={)[c]{)，={)[糾{}，其中{尸}向量的元素={){P}，則各階振型的動(dòng)力方程可表示為-I-*"+=，戶(hù)1，2?N(4)將式(4)兩邊除以可得++∞2，戶(hù)1，2?N(5)式中：、，分別為結(jié)構(gòu)第階振動(dòng)的阻尼比和圓頻率。根據(jù)振型標(biāo)準(zhǔn)化推導(dǎo)可知，∑=1，為結(jié)構(gòu)第階振型參與系數(shù)；當(dāng)振型向量按一定方式正則化后，一階振型的振型參與系數(shù)明顯大于其他階振型的參與系數(shù)，根據(jù)式(5)可知，對(duì)于任意質(zhì)點(diǎn)位移，主要由一階振型貢獻(xiàn)，對(duì)于其他階振型，振型越高，

7、其貢獻(xiàn)量越?。煌瑫r(shí)，一般高度低于40m的結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力響應(yīng)主要由一階振型貢獻(xiàn)，故對(duì)于高樁碼頭結(jié)構(gòu)，在沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)可主要考慮一階振型的貢獻(xiàn)。沖擊荷載一般近似表達(dá)為半正弦的形式，結(jié)構(gòu)在某一點(diǎn)施加荷載時(shí)，外部激勵(lì)向量可表達(dá)為{Pl={Pl(￡)0．．．0】，其中'Pl(￡)=n(6)沖擊荷載下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)按一階振型計(jì)算，則結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程可表達(dá)為++y：量(7)式中：(P】==。當(dāng)O≤≤。時(shí)，由Duhamel積分可得y：：-∞·。一in∞，一d丁(8)式中：∞。=∞。√卜；一般初始條件的初速度和初位移均