海上高桩码头斜桩结构在冲击荷载下的动态响应机制与抗冲击性能优化研究

针对高桩码头结构在船舶撞击等水平冲击荷载下的安全挑战，研究人员通过缩尺模型试验与数值模拟相结合的方法，系统研究了不同斜桩配置对结构动态响应、损伤演化和抗冲击性能的影响。研究发现双斜桩布置可显著降低66%的桩顶累积位移，有效改善刚度退化并提升结构韧性，为海洋工程抗冲击设计提供了理论依据和实践指导。

　　

随着全球能源需求增长和海洋经济发展，液化天然气(LNG)接收站等大型海岸基础设施的建设加速推进。作为深水港口工程的核心承力结构，高桩码头因其空间适应性和施工便捷性被广泛应用。然而，这类结构在运营中面临船舶靠泊、波浪作用及偶然撞击等多重动态荷载威胁。尽管碰撞事件发生概率较低，但其潜在破坏后果极为严重——传统垂直桩结构在反复冲击下易出现刚度退化、位移累积和局部损伤，而斜桩配置虽能通过轴向分力提升抗侧刚度，但其在分级冲击下的系统性表现和方向敏感性尚未明确。这一科学问题直接关系到重大海洋工程的安全性与经济性，成为近十年土木与海洋工程领域的研究焦点。

为破解这一难题，获得中国国家留学基金委资助的研究团队开展了创新性研究。通过缩尺模型试验与ABAQUS/Explicit显式动力有限元模拟相结合的方法，系统分析了典型高桩码头结构在26次分级水平冲击下的动态响应。研究首次量化比较了垂直桩、单斜桩和双斜桩三种配置的抗冲击性能差异，并引入塑性能耗比(plastic energy absorption ratio)、等效塑性应变(equivalent plastic strain)等多维指标评估损伤演化规律。论文成果发表在海洋工程领域权威期刊《Ocean Engineering》上，为柔性桩基海洋结构的优化设计提供了重要科学依据。

关键技术方法包括：1) 基于原型码头设计的1:10缩尺模型试验，采用5kg冲击物以0.5-4.0 m/s分级速度实施26次水平冲击；2) ABAQUS/Explicit平台构建三维有限元模型，整合混凝土损伤塑性(CDP)模型与钢筋各向异性力学行为；3) 通过位移响应、能量演化与损伤体积比(damage volume ratio)等多参数耦合分析抗冲击机制；4) 采用Kriging代理模型进行快速碰撞力反演。

实验与数值模型验证
研究选取某LNG接收站码头为原型，建立包含桩-承台-上部结构的完整弯架系统缩尺模型。通过对比冲击力时程曲线、桩顶位移响应和应变分布，验证了有限元模型能准确捕捉结构在5-80J冲击能量范围内的非线性特征，误差控制在8%以内。

斜桩配置的抗冲击优势
双斜桩系统展现出卓越的位移控制能力：在累计冲击能量达2080J时，其桩顶累积位移较垂直桩减少66%。斜桩通过力流重分布将38%冲击能转化为轴向变形，显著延缓了混凝土开裂和刚度退化。而单斜桩因偏心效应在高速(4m/s)冲击下产生17%更大的局部损伤。

损伤演化规律
基于塑性能耗比的分析表明，双斜桩在中等能量(40J)冲击下能耗效率提升42%，有效抑制了裂缝贯通破坏。等效塑性应变分布揭示斜桩使塑性区从桩头转移至中部，避免关键节点过早失效。

工程指导价值
研究提出的"位移-能量-损伤"三维评价体系证实：当斜桩倾角为10°-15°时，结构在保证施工可行性的同时可获得最佳抗冲击性能。这为现行《港口工程桩基设计规范》的修订提供了实验依据。

该研究首次系统阐明了斜桩配置在分级冲击下的阶段性保护机制：初期通过刚度优势抑制微裂缝扩展，中期依靠力流重分布延缓损伤累积，后期借助多路径传力避免突发性破坏。这一发现不仅完善了海洋工程结构动力响应的理论框架，更通过量化设计参数(如倾角、轴向荷载比)与抗冲击性能的关联性，指导了深水码头、海上风电基础等重大工程的抗震抗撞设计。特别是提出的基于模态应变能残差的早期损伤识别方法，为构建"冲击预警-性能评估-韧性提升"的全寿命安全保障体系奠定了基础。未来研究可进一步探索斜桩-土-水耦合效应在极端波浪耦合荷载下的协同工作机制。