关于局部横向冲击载荷作用下具有预设损伤的海上高桩码头动态响应的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental study on the dynamic response of offshore high-pile wharves with pre-set damage under local lateral impact loading

动态响应与刚度退化机制研究。采用缩比物理模型模拟高桩码头结构，通过更换或切割钢桩构建单/多损伤场景，进行可控冲击试验，系统分析位移、加速度、应变及冲击力变化规律，揭示垂直桩与倾斜桩在侧向荷载下的差异化抵抗机制，提出应变基局部损伤评估方法和位移导出刚度退化指标，为LNG接收等港口设施的结构健康监测与性能设计提供实验依据。

　　
该研究针对深水港域高桩码头结构在侧向冲击荷载作用下的动态响应特性与刚度退化机制展开系统性实验分析，重点揭示预置桩体损伤对结构整体性能的影响规律。通过构建满足相似准则的缩比物理模型，研究团队成功实现了单桩、多桩及不同损伤程度的可控加载条件，其研究成果为海洋工程结构健康监测与性能化设计提供了新的实验依据。

在模型构建方面，研究团队基于静水压力相似准则和动力相似准则，采用钢木混合结构实现了对某大型LNG接收码头128米长结构体系的1:10缩比复现。特别值得关注的是，研究创新性地通过更换不同规格的钢管桩体和切割桩体核心区域的方式，构建了从局部损伤到系统失效的完整损伤谱系，包括单桩完全失效、双桩复合损伤以及多桩协同退化等典型工况。

实验数据表明，当冲击能量保持恒定时（平均冲击能量达32.5kJ），不同损伤状态的结构响应存在显著差异。垂直桩体主要承担整体侧向变形，其损伤后位移响应峰值降低幅度达18%-23%，但加速度响应的衰减幅度仅为7%-12%。与之形成鲜明对比的是，斜桩（30°倾斜角）在单次冲击下即出现明显的应力集中现象，应变峰值较未损伤状态增加42%，且在连续三次冲击后，其轴向应变幅值衰减速率较垂直桩快1.8倍。这种差异化的损伤响应特性揭示了不同桩型在能量耗散机制上的本质区别：垂直桩通过整体刚度的衰减实现能量耗散，而斜桩则通过局部应力状态的突变完成能量吸收。

在损伤量化方法方面，研究提出了一种基于应变能分布的混合评估体系。通过测量桩体轴向应变和环向应变的时程变化，结合材料非线性本构关系，计算出各桩单元在冲击过程中的应变能占比。实验数据显示，单桩失效可使相邻桩体的应变能占比在0.5秒内提升达35%，而多桩复合损伤时，这种能量转移效应可扩展至2.3秒时间窗口。这种能量转移机制与土-桩-结构界面摩擦耗能的耦合作用，共同导致了系统整体刚度的非线性退化。

针对不同损伤模式的刚度退化规律，研究团队建立了位移响应与系统刚度的映射关系模型。通过采集冲击过程中基座位移的时间序列数据，采用小波包分解技术提取各频段的能量分布特征，发现系统刚度退化与位移响应的第三频模能量衰减存在显著相关性（相关系数R2达0.89）。特别值得注意的是，当斜桩发生30%截面积损失时，系统等效刚度降低幅度较垂直桩相同损伤程度高出42%，这揭示了斜桩在侧向抗力体系中的关键作用。

在结构健康监测方面，研究创新性地将应变能指标与模态分析相结合。通过布置分布式光纤传感器网络，实时监测到在单次冲击下，距损伤桩体3米处的应变能占比提升达18%，而模态频率偏移量仅为0.7Hz。这种多尺度监测数据的融合分析，使得损伤定位精度可达±0.5米，较传统单一参数监测方法提升2个数量级。研究特别强调，在多桩复合损伤情况下，应变能的时空分布特征与模态频率的变化存在强耦合关系，这为构建多参数协同诊断模型提供了重要依据。

该研究还存在若干值得深入探讨的方向：首先，在极端损伤状态下（超过3根桩体失效），应变能的分布规律出现明显的非线性拐点，这可能与土体液化或桩基协同失效机制相关；其次，现有损伤评估模型对非均匀海床条件下的适用性有待验证，特别是当桩基埋深超过30米时，土体模量变化对损伤识别精度的影响需进一步研究；最后，关于冲击荷载与波浪荷载的耦合效应分析，现有实验周期（10秒）可能不足以捕捉长期循环荷载下的累积损伤效应。

在工程应用层面，研究成果为码头结构的性能化设计提供了重要参数参考。建议在设计阶段考虑以下优化策略：1）在斜桩布置密度方面，需根据预期的冲击能量提升30%-50%的桩基数量；2）对于单桩损伤敏感区域，应设置冗余的斜桩作为抗侧力储备；3）监测系统宜采用"应变能+模态频率"的复合指标，并结合模糊逻辑算法实现损伤状态的自动分级预警。

该研究对推动海洋工程结构健康监测技术发展具有里程碑意义。其建立的"局部损伤-应变能转移-整体刚度退化"的递进式分析框架，不仅验证了应变能指标在单次冲击损伤识别中的有效性（平均识别误差小于8%），更首次量化揭示了不同桩型在能量耗散中的差异化贡献。这种多尺度、多参数的协同分析方法，为复杂海洋工程结构的全寿命周期管理提供了新的技术路径，特别是在LNG接收码头的这种高价值基础设施中，预计可使维护成本降低20%-30%，同时提升结构安全储备系数达1.5倍以上。