祁澤鵬

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

板樁碼頭是傳統(tǒng)三大碼頭結(jié)構(gòu)類(lèi)型之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料用量少，施工方便，可預(yù)制程度高等優(yōu)點(diǎn)。位于強(qiáng)震區(qū)的板樁碼頭結(jié)構(gòu)，除承受施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的一般靜力作用外，還要承受到地震產(chǎn)生的動(dòng)土壓力、動(dòng)水壓力作用[1]。特別是水位較高時(shí)，板樁墻后的回填土處于飽和狀態(tài)，強(qiáng)烈的地震作用會(huì)產(chǎn)生超孔隙水壓力，容易導(dǎo)致地基發(fā)生液化[2]。因此，板樁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)極其重要。

目前，國(guó)內(nèi)板樁碼頭抗震設(shè)計(jì)主要是依據(jù)《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 146-2012）[3]。該規(guī)范主要關(guān)注結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于位移狀態(tài)內(nèi)容較少提及。從結(jié)構(gòu)抗震安全層面而言，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性起控制作用的往往是變形問(wèn)題而非強(qiáng)度問(wèn)題，以變形為準(zhǔn)則來(lái)衡量巖土構(gòu)筑物的抗震性能逐漸成為國(guó)際工程界的一種共識(shí)[3]。本文介紹的PIANC《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“指南”)即提供了一種基于性能，以位移為重要評(píng)價(jià)指標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)方法[4]。本文以菲律賓某集裝箱板樁碼頭工程為例，采用該指南進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，為海外工程板樁碼頭抗震設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1 工程概述

菲律賓某板樁碼頭項(xiàng)目位于菲律賓呂宋島西南部，主要工作內(nèi)容為拆除已有的一期鋼板樁碼頭，在二期碼頭前沿線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)上續(xù)建220 m 長(zhǎng)的鋼板樁碼頭岸線(xiàn)。碼頭設(shè)計(jì)船型為75 000 DWT 的集裝箱船，同時(shí)需要兼顧3 000～75 000 DWT 之間的船型。碼頭主體為鋼板樁結(jié)構(gòu)，前板樁墻采用直徑為1 500 mm 的鋼管排樁，樁間距為1 680 mm，壁厚22 mm，排樁之間采用CT 型鎖口銜接，板樁墻后回填塊石。后錨定墻采用直徑為1 000 mm 的錨定樁，錨定樁間距為3 360 mm。錨定樁通過(guò)鋼筋混凝土導(dǎo)梁連接；前后板樁結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼拉桿連接，拉桿直徑70 mm，屈服強(qiáng)度為550 MPa。

2 抗震設(shè)計(jì)要求和PIANC指南介紹

2.1 抗震設(shè)計(jì)要求

菲律賓位于環(huán)太平洋地震帶，板塊移動(dòng)劇烈，地震頻發(fā)且地震強(qiáng)度高，其475 年一遇地震基本加速度為0.4g（L2 地震）。根據(jù)招標(biāo)文件要求，本項(xiàng)目地震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為Grade B 即“小震不壞（L1 地震），中震不倒（L2 地震）”。同時(shí)業(yè)主招標(biāo)文件的設(shè)計(jì)要求中對(duì)L1 地震作了額外的要求：地震后集裝箱裝卸操作能夠立刻恢復(fù)。

此外，招標(biāo)文件中“設(shè)計(jì)性能要求”里對(duì)地震設(shè)計(jì)的規(guī)定如下：碼頭及其附屬設(shè)置的抗震設(shè)計(jì)要根據(jù)最新版的PIANC《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南》中規(guī)定的基于性能分析的設(shè)計(jì)方法，并經(jīng)過(guò)業(yè)主咨詢(xún)工程師的審批。

2.2 PIANC《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南》介紹

國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）在1997 年召集了第34 工作委員會(huì)著重研究討論港口抗震設(shè)計(jì)，PIANC《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“指南”）由此誕生。該指南是第一本著重介紹港口抗震設(shè)計(jì)的國(guó)際港口設(shè)計(jì)指南。指南共由正文和8 個(gè)技術(shù)附件組成，其中正文部分詳細(xì)闡述了各種碼頭結(jié)構(gòu)形式基于性能要求的抗震設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、及設(shè)計(jì)方法；技術(shù)附件則主要提供了具體的抗震設(shè)計(jì)范例。

指南中最核心的設(shè)計(jì)理念即為基于性能的抗震設(shè)計(jì)。具體而言，其對(duì)港口結(jié)構(gòu)物在地震作用下的破壞等級(jí)進(jìn)行了如表1 所示的劃分，將結(jié)構(gòu)物破壞等級(jí)劃分為4 檔。同時(shí)，將港口結(jié)構(gòu)物抗震設(shè)計(jì)的性能等級(jí)分為S，A，B，C 四檔，如表2 所示。對(duì)于不同的港口結(jié)構(gòu)物，指南又在第四章分別對(duì)重力式、板樁、高樁、防波堤的四檔性能要求分別作了具體闡述。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)港口結(jié)構(gòu)物的投資定位和使用功能來(lái)確定該結(jié)構(gòu)物的抗震性能等級(jí)和破壞等級(jí)，然后依據(jù)結(jié)構(gòu)形式確定具體的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 破壞等級(jí)劃分

表2 性能等級(jí)劃分

3 抗震設(shè)計(jì)

3.1 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)輸入

1）分析方法

板樁結(jié)構(gòu)的地震分析方法一般分為簡(jiǎn)化分析方法（擬靜力分析方法）、簡(jiǎn)化動(dòng)力分析方法（簡(jiǎn)化Newmark 法）以及動(dòng)力分析方法（有限元分析）[5]。其中擬靜力分析方法應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)，經(jīng)驗(yàn)最多，需要的輸入的參數(shù)也最少，因此一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均采用擬靜力分析方法。但擬靜力方法分析得到的位移的準(zhǔn)確度不高，而位移是基于性能的抗震設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)。為彌補(bǔ)擬靜力法的缺陷，在此次設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用位移計(jì)算準(zhǔn)確度較高的彈塑性共同變形法來(lái)取代彈性支點(diǎn)法來(lái)計(jì)算板樁結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目采用擬靜力法的板樁分析方法及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如表3。

表3 設(shè)計(jì)分析方法及標(biāo)準(zhǔn)

表3 中所列的位移設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均是根據(jù)PIANC中對(duì)于板樁結(jié)構(gòu)的一般規(guī)定，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)針對(duì)實(shí)際的項(xiàng)目情況作專(zhuān)門(mén)分析。對(duì)于結(jié)構(gòu)在L2 地震工況下的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，指南要求材料可以達(dá)到塑性狀態(tài)（Plastic＜less than ductility factor/strain limit＞）。鑒于此，與業(yè)主咨詢(xún)工程師就是否應(yīng)該采用破斷強(qiáng)度作為L(zhǎng)2 的設(shè)計(jì)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討。經(jīng)探討分析，認(rèn)為在破斷強(qiáng)度條件下鋼材會(huì)發(fā)生非常大的位移。以鋼拉桿為例，35 m 長(zhǎng)的鋼拉桿在破斷之前會(huì)產(chǎn)生35×0.12=4.2 m 的位移。這個(gè)位移下，碼頭結(jié)構(gòu)已經(jīng)倒塌。經(jīng)參考?xì)W洲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在地震工況下均允許對(duì)鋼材屈服應(yīng)力進(jìn)行放大使用。其中，歐洲標(biāo)準(zhǔn)放大系數(shù)為1.25，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)放大系數(shù)為1.33[6]。在此情況下，鋼材屈服強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值仍有95 %的保證率。經(jīng)過(guò)多次討論，與業(yè)主咨詢(xún)工程師達(dá)成一致：對(duì)于L2 這種偶然發(fā)生的地震，可以適當(dāng)降低保證率，以鋼材強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值作為L(zhǎng)2 抗震的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是合適且可接受的。

2）參數(shù)輸入

根據(jù)工程所在區(qū)域的基本加速度、地基條件，結(jié)合規(guī)范要求，地震設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)見(jiàn)表4。

表4 地震設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

3.2 計(jì)算軟件及方法

本工程中板樁的抗震設(shè)計(jì)采用GEO5 巖土設(shè)計(jì)和分析軟件，該軟件內(nèi)嵌歐洲規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。歐洲規(guī)范不采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的彈性支點(diǎn)法，而是采用彈塑性共同變形法[7]。彈塑性共同變形法的基本假設(shè)是結(jié)構(gòu)周?chē)膸r土材料是理想的彈塑性Winkler 材料[8]。材料性質(zhì)由水平反力系數(shù)kh和極限彈性變形決定，其中水平反力系數(shù)描述了材料在彈性區(qū)域的變形行為。當(dāng)超過(guò)極限彈性變形時(shí)，材料表現(xiàn)為理想塑性。該方法還采用以下假設(shè)：作用在結(jié)構(gòu)的土壓力可能是主動(dòng)土壓力至被動(dòng)土壓力之間的任一值，但不能超出以這兩種極限土壓力為邊界的范圍。

GEO5 軟件的計(jì)算過(guò)程如下：

1）土水反力系數(shù)kh被賦值到每一個(gè)單元，并且結(jié)構(gòu)受靜止土壓力作用，如圖1 所示。

圖1 第一次迭代計(jì)算前的板樁結(jié)構(gòu)受力示意

2）分析開(kāi)始后，軟件對(duì)作用在結(jié)構(gòu)每個(gè)單元上的土壓力大小進(jìn)行檢查。若其大小超出了極限土壓力的范圍，軟件將調(diào)整該處的kh=0，并在該處施加相應(yīng)的主動(dòng)土壓力或被動(dòng)土壓力，如圖2 所示。

圖2 迭代計(jì)算過(guò)程中的板樁結(jié)構(gòu)受力示意

3）以上過(guò)程將進(jìn)行持續(xù)迭代計(jì)算，直到結(jié)構(gòu)上各個(gè)地方的土壓力都滿(mǎn)足要求。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 前板樁墻計(jì)算

根據(jù)該項(xiàng)目的地質(zhì)勘察資料、水文信息和荷載要求，使用GEO5 軟件搭建計(jì)算模型。結(jié)果表明：本項(xiàng)目位移控制工況為L(zhǎng)1 工況，應(yīng)力控制工況為L(zhǎng)2 工況。L1 工況在絕對(duì)位移不大的情況下，如何滿(mǎn)足集裝箱岸橋正常運(yùn)營(yíng)的要求是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。L2工況下結(jié)構(gòu)彎矩最大，同時(shí)由于板樁墻同時(shí)承擔(dān)軸向力作用，如何進(jìn)行抗屈曲設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。

4.2 L1 工況下抗震設(shè)計(jì)

L1 地震工況的計(jì)算結(jié)果顯示，在L1 工況下板樁結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍然在彈性范圍內(nèi)且有較大富余量。因此L1 工況下抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是位移控制。為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，采用如下思路進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）保持絕對(duì)位移不大；

2）在一定的位移條件下，保證集裝箱岸橋軌道擁有足夠應(yīng)對(duì)L1 地震下位移的調(diào)節(jié)量。

前板樁墻的位移由前板樁墻在地震土壓力、波浪力、集裝箱卸船機(jī)輪壓等外力作用下產(chǎn)生的位移、以及鋼拉桿在外力作用下的伸長(zhǎng)、錨定墻位移疊加組成。計(jì)算結(jié)果顯示，板樁墻頂在L1 地震工況下的絕對(duì)位移為40.2 mm，該位移包括了鋼拉桿在外力作用下的伸展。根據(jù)對(duì)錨定墻的有限元計(jì)算分析，得出錨定墻在L1 地震工況拉桿作用力下的位移為7 mm。需要指出的是，前板樁墻的位移由永久作用產(chǎn)生的位移及由可變作用產(chǎn)生的位移兩部分組成。由土壓力引起的永久位移將會(huì)在墻后回填完成后完全形成，在胸墻澆筑時(shí)這部分永久位移可以消除掉。因此在設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注可變作用引起的位移。

計(jì)算結(jié)果表明，由土壓力引起的絕對(duì)位移為12.1 mm。如上所述，這部分位移可以通過(guò)胸墻澆筑來(lái)消除。因此前軌道的設(shè)計(jì)只需要考慮應(yīng)對(duì)L1地震工況下40.2+7-12.1=35 mm 的位移。經(jīng)過(guò)與軌道供應(yīng)商溝通，對(duì)集裝箱岸橋軌道的前軌進(jìn)行了如圖3 所示雙層墊板的特殊設(shè)計(jì)，使其能夠調(diào)節(jié)40 mm 的位移，進(jìn)而滿(mǎn)足了L1 地震工況下的設(shè)計(jì)要求，獲得了業(yè)主咨詢(xún)工程師的認(rèn)可。

圖3 雙層墊板的特殊軌道設(shè)計(jì)

4.3 L2 工況下地震設(shè)計(jì)

L2 工況下的計(jì)算結(jié)果顯示，由于地震產(chǎn)生的動(dòng)土壓力、動(dòng)水壓力較大，板樁墻彎矩達(dá)到4 248 kN·m，最大位移達(dá)到了153.3 mm。按照指南要求，經(jīng)與業(yè)主工程師商議，可以用鋼材強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值作為L(zhǎng)2抗震的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。由于鋼板樁直徑較大、壁厚較薄，屬于薄殼結(jié)構(gòu)。為提高鋼管板樁抗屈曲的能力且提高經(jīng)濟(jì)性，采用了在鋼管板樁中充灌吹填砂以提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

1）地震作用下港口結(jié)構(gòu)物作用機(jī)理復(fù)雜，僅僅關(guān)注強(qiáng)度，忽略位移是不全面的抗震設(shè)計(jì)方法。PIANC《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)指南》提供了港口結(jié)構(gòu)物全新的抗震設(shè)計(jì)方法，其基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念也是當(dāng)今國(guó)際主流的抗震設(shè)計(jì)理念，值得學(xué)習(xí)借鑒。

2）通過(guò)限制位移控制港口結(jié)構(gòu)物在地震下的損傷程度，設(shè)計(jì)人員更容易理解和區(qū)分。L1 地震工況下的設(shè)計(jì)主要是關(guān)注結(jié)構(gòu)位移問(wèn)題，而在L2 工況下的設(shè)計(jì)主要是關(guān)注結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題。

3）在板樁碼頭的抗震設(shè)計(jì)中，要注意結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和業(yè)主的要求，針對(duì)具體問(wèn)題作專(zhuān)門(mén)的分析，靈活運(yùn)用多種手段應(yīng)對(duì)位移和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。