祁澤鵬

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

引言

板樁碼頭是傳統(tǒng)三大碼頭結(jié)構(gòu)類型之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、材料用量少，施工方便，可預(yù)制程度高等優(yōu)點。位于強(qiáng)震區(qū)的板樁碼頭結(jié)構(gòu)，除承受施工和運(yùn)營過程中的一般靜力作用外，還要承受到地震產(chǎn)生的動土壓力、動水壓力作用[1]。特別是水位較高時，板樁墻后的回填土處于飽和狀態(tài)，強(qiáng)烈的地震作用會產(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)計極其重要。

目前，國內(nèi)板樁碼頭抗震設(shè)計主要是依據(jù)《水運(yùn)工程抗震設(shè)計規(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，對結(jié)構(gòu)安全性起控制作用的往往是變形問題而非強(qiáng)度問題，以變形為準(zhǔn)則來衡量巖土構(gòu)筑物的抗震性能逐漸成為國際工程界的一種共識[3]。本文介紹的PIANC《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計指南》(以下簡稱“指南”)即提供了一種基于性能，以位移為重要評價指標(biāo)的抗震設(shè)計方法[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，為海外工程板樁碼頭抗震設(shè)計提供一定的借鑒。

1 工程概述

菲律賓某板樁碼頭項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，在二期碼頭前沿線的延長線上續(xù)建220 m 長的鋼板樁碼頭岸線。碼頭設(shè)計船型為75 000 DWT 的集裝箱船，同時需要兼顧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。錨定樁通過鋼筋混凝土導(dǎo)梁連接；前后板樁結(jié)構(gòu)通過鋼拉桿連接，拉桿直徑70 mm，屈服強(qiáng)度為550 MPa。

2 抗震設(shè)計要求和PIANC指南介紹

2.1 抗震設(shè)計要求

菲律賓位于環(huán)太平洋地震帶，板塊移動劇烈，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，本項目地震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為Grade B 即“小震不壞（L1 地震），中震不倒（L2 地震）”。同時業(yè)主招標(biāo)文件的設(shè)計要求中對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)計性能要求”里對地震設(shè)計的規(guī)定如下：碼頭及其附屬設(shè)置的抗震設(shè)計要根據(jù)最新版的PIANC《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計指南》中規(guī)定的基于性能分析的設(shè)計方法，并經(jīng)過業(yè)主咨詢工程師的審批。

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

國際航運(yùn)協(xié)會（PIANC）在1997 年召集了第34 工作委員會著重研究討論港口抗震設(shè)計，PIANC《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計指南》（以下簡稱“指南”）由此誕生。該指南是第一本著重介紹港口抗震設(shè)計的國際港口設(shè)計指南。指南共由正文和8 個技術(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)計原則、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、及設(shè)計方法；技術(shù)附件則主要提供了具體的抗震設(shè)計范例。

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

表1 破壞等級劃分

表2 性能等級劃分

3 抗震設(shè)計

3.1 抗震設(shè)計參數(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化分析方法（擬靜力分析方法）、簡化動力分析方法（簡化Newmark 法）以及動力分析方法（有限元分析）[5]。其中擬靜力分析方法應(yīng)用時間最長，經(jīng)驗最多，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)計最重要的參數(shù)。為彌補(bǔ)擬靜力法的缺陷，在此次設(shè)計當(dāng)中，采用位移計算準(zhǔn)確度較高的彈塑性共同變形法來取代彈性支點法來計算板樁結(jié)構(gòu)。本項目采用擬靜力法的板樁分析方法及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如表3。

表3 設(shè)計分析方法及標(biāo)準(zhǔn)

表3 中所列的位移設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)均是根據(jù)PIANC中對于板樁結(jié)構(gòu)的一般規(guī)定，在設(shè)計過程中應(yīng)針對實際的項目情況作專門分析。對于結(jié)構(gòu)在L2 地震工況下的設(shè)計標(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)主咨詢工程師就是否應(yīng)該采用破斷強(qiáng)度作為L2 的設(shè)計應(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)度條件下鋼材會發(fā)生非常大的位移。以鋼拉桿為例，35 m 長的鋼拉桿在破斷之前會產(chǎn)生35×0.12=4.2 m 的位移。這個位移下，碼頭結(jié)構(gòu)已經(jīng)倒塌。經(jīng)參考?xì)W洲設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及美國設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在地震工況下均允許對鋼材屈服應(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)計值仍有95 %的保證率。經(jīng)過多次討論，與業(yè)主咨詢工程師達(dá)成一致：對于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L2 抗震的設(shè)計強(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)計輸入?yún)?shù)見表4。

表4 地震設(shè)計輸入?yún)?shù)

3.2 計算軟件及方法

本工程中板樁的抗震設(shè)計采用GEO5 巖土設(shè)計和分析軟件，該軟件內(nèi)嵌歐洲規(guī)范和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。歐洲規(guī)范不采用中國標(biāo)準(zhǔn)的彈性支點法，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)周圍的巖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)超過極限彈性變形時，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土壓力至被動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 軟件的計算過程如下：

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

圖1 第一次迭代計算前的板樁結(jié)構(gòu)受力示意

2）分析開始后，軟件對作用在結(jié)構(gòu)每個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)的主動土壓力或被動土壓力，如圖2 所示。

圖2 迭代計算過程中的板樁結(jié)構(gòu)受力示意

3）以上過程將進(jìn)行持續(xù)迭代計算，直到結(jié)構(gòu)上各個地方的土壓力都滿足要求。

4 計算結(jié)果

4.1 前板樁墻計算

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

4.2 L1 工況下抗震設(shè)計

L1 地震工況的計算結(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)計的重點就是位移控制。為了滿足設(shè)計要求，采用如下思路進(jìn)行設(shè)計：

1）保持絕對位移不大；

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、錨定墻位移疊加組成。計算結(jié)果顯示，板樁墻頂在L1 地震工況下的絕對位移為40.2 mm，該位移包括了鋼拉桿在外力作用下的伸展。根據(jù)對錨定墻的有限元計算分析，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在墻后回填完成后完全形成，在胸墻澆筑時這部分永久位移可以消除掉。因此在設(shè)計中需重點關(guān)注可變作用引起的位移。

計算結(jié)果表明，由土壓力引起的絕對位移為12.1 mm。如上所述，這部分位移可以通過胸墻澆筑來消除。因此前軌道的設(shè)計只需要考慮應(yīng)對L1地震工況下40.2+7-12.1=35 mm 的位移。經(jīng)過與軌道供應(yīng)商溝通，對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，使其能夠調(diào)節(jié)40 mm 的位移，進(jìn)而滿足了L1 地震工況下的設(shè)計要求，獲得了業(yè)主咨詢工程師的認(rèn)可。

圖3 雙層墊板的特殊軌道設(shè)計

4.3 L2 工況下地震設(shè)計

L2 工況下的計算結(jié)果顯示，由于地震產(chǎn)生的動土壓力、動水壓力較大，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L2抗震的設(shè)計強(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。

5 結(jié)語

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)計方法。PIANC《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計指南》提供了港口結(jié)構(gòu)物全新的抗震設(shè)計方法，其基于性能的抗震設(shè)計理念也是當(dāng)今國際主流的抗震設(shè)計理念，值得學(xué)習(xí)借鑒。

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

3）在板樁碼頭的抗震設(shè)計中，要注意結(jié)合項目特點和業(yè)主的要求，針對具體問題作專門的分析，靈活運(yùn)用多種手段應(yīng)對位移和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。