板樁碼頭前后軌道梁抗震連接構(gòu)件設(shè)計

余神光，牛紅林，孫 藝

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引言

板樁碼頭作為一種重要的碼頭結(jié)構(gòu)型式[1]，其前墻岸壁一般兼做前軌道梁基礎(chǔ)，并打設(shè)獨立樁基支撐后軌道梁。地震波的傳輸因土體的強度特性和空間特性不同會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響[2]，這將導(dǎo)致板樁碼頭前后軌道梁的地震響應(yīng)不一致。當(dāng)前后軌道梁的震后位移差過大時會直接到影響碼頭的生產(chǎn)運營，甚至需要重新建造軌道，導(dǎo)致工程投資增加。如何盡量減少前后軌道梁的震后位移差，目前國內(nèi)規(guī)范沒有明確的說法，美國 California抗震規(guī)范[3]規(guī)定在板樁碼頭前、后軌道梁之間設(shè)置連接構(gòu)件是必要的抗震構(gòu)造之一，其目的在于保證前、后軌道梁在地震時的位移協(xié)調(diào)性。但抗震連接構(gòu)件是否必要，以及如何合理的設(shè)計連接構(gòu)件，目前并沒有詳細的比較研究。

本文結(jié)合某強震區(qū)的板樁碼頭，利用有限差分軟件FLAC 2D進行動力時程分析，論證前后軌道梁抗震連接構(gòu)件的必要性，對比研究不同連接構(gòu)件、不同連接方式的受力特性和適用性，可為類似項目提供設(shè)計參考。

1 工程概況

某工程所在區(qū)域基巖地震峰值加速度為0.27g。該工程含2個13.1萬t級的集裝箱泊位，碼頭結(jié)構(gòu)為單錨板樁結(jié)構(gòu)，前墻為直徑2 300 mm鋼管樁和AZ6鋼板樁組成的組合結(jié)構(gòu)；后軌道梁樁為直徑1 000 mm的鋼管樁；錨定結(jié)構(gòu)為直徑1 000 mm鋼管樁和AZ14鋼板樁的組合結(jié)構(gòu)；采用直徑140 mm的STE550鋼拉桿將前墻與錨定墻連為整體，鋼拉桿間距為3.62 m。典型斷面如圖1所示。

圖1 碼頭斷面示意

2 計算模型

常見的地震分析方法可歸納成三種：擬靜力法、簡化動力法和動力時程分析法[4]。結(jié)合板樁碼頭自身結(jié)構(gòu)特點，工程上多采用擬靜力法進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力的求解。但擬靜力方法需要太多假定，且地震振動所引起的土體重復(fù)加載與變形，是擬靜力方法所無法準(zhǔn)確模擬的[5]。動力時程分析方法以輸入的加速度時程曲線為基礎(chǔ)，逐步積分求解出每一時刻的模型振動狀態(tài)，可以得到比較準(zhǔn)確全面的地震響應(yīng)。本文重點關(guān)注結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力響應(yīng)，因此采用動力時程法進行分析計算，軟件選取美國 Itasca咨詢與軟件公司開發(fā)的有限差分軟件FLAC 2D[6]。

利用FLAC 2D軟件建立前述碼頭斷面的平面應(yīng)變分析模型，土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，前墻、錨定墻采用BEAM單元，后軌道梁樁采用PILE單元，鋼拉桿采用 CABLE單元，混凝土橫撐采用BEAM單元。

模型底部采用靜態(tài)邊界（也稱粘性吸收邊界），以避免向外傳播的波反射回模型中；兩側(cè)采用自由場邊界，以提供與無限場地相同的效果。材料阻尼采用滯后阻尼，以考慮巖土材料的滯后特性；同時為減弱高頻部分帶來的分析影響，考慮一個較小分量的瑞利阻尼。地震荷載通過在靜態(tài)邊界上輸入應(yīng)力時程實現(xiàn)，應(yīng)力時程由加速度時程積分轉(zhuǎn)化而來，地震加速度時程曲線如圖3所示。

圖3 地震加速度時程曲線

3 抗震連接構(gòu)件設(shè)計研究

板樁碼頭在國內(nèi)外抗震設(shè)計中，一般采用無連接、鋼拉桿連接、鋼筋混凝土橫撐連接等方案。針對前述碼頭案例。

3.1 鋼拉桿連接

當(dāng)板樁碼頭前、后軌道梁之間不采用任何構(gòu)件連接時，前后軌道梁頂點的位移時程曲線如圖4所示。可以看出，當(dāng)前、后軌道梁之間不設(shè)置連接構(gòu)件時，震后位移差高達72 mm，遠超一般門機正常運行的允許偏差，震后必須對軌道進行重建。

圖4 前后軌道梁位移時程對比：無連接

在前、后軌道梁之間設(shè)置STE550小型鋼拉桿進行連接，如圖 5；前后軌道梁頂點的位移時程曲線對比如圖6所示，前后軌道梁頂點的震后位移差將減小至13 mm。

通過表1對比可知，相比于無連接，采用連接構(gòu)件可明顯提升前后軌道梁的地震響應(yīng)協(xié)調(diào)性，既可減小前墻的震后殘余位移，也可有效減小前后軌道梁的震后位移差。因此，前、后軌道梁之間設(shè)置抗震連接構(gòu)件是合理且必要的。

圖5 鋼拉桿連接示意

圖6 前后軌道梁位移時程對比：鋼拉桿

表1 前后軌道梁的震后側(cè)向位移對比

3.2 鋼筋混凝土橫撐連接的方式

混凝土橫撐作為另一種連接構(gòu)件，既能承壓又能承拉，且抗彎性能良好。混凝土橫撐端部一般與前后軌道梁結(jié)構(gòu)整體現(xiàn)澆為“固接”型式，如某國際著名咨詢公司在中東某碼頭的設(shè)計中采用了該種方式。考慮后期土體沉降等因素，為避免碼頭面荷載對橫撐結(jié)構(gòu)造成較大的附加彎矩，該咨詢公司建議在橫撐下方設(shè)置支撐樁，以減小橫撐跨度。基于該方式連接的碼頭斷面如圖7所示。

圖7 混凝土橫撐固接方式示意

考慮到上述“固接”方式對使用期的地基沉降適應(yīng)性較差，額外的支撐樁基必將增加較多的工程投入。為節(jié)省造價，筆者單位提出了一種“鎖扣式”連接方式（如圖8）。即在前后軌道梁內(nèi)側(cè)增設(shè)凹形“卡槽”結(jié)構(gòu)，混凝土橫撐的端部設(shè)計為“凸榫”形式，橫撐的凸榫端安放于軌道梁兩側(cè)的卡槽內(nèi)，縫隙填塞瀝青木絲板等減震材料。該結(jié)構(gòu)能適應(yīng)一定程度的土體沉降，無須設(shè)置額外的支撐樁基。

圖8 混凝土橫撐鎖扣式連接示意

3.3 混凝土橫撐不同連接方式的效果對比

混凝土橫撐分別采用“固接”和“鎖扣式”連接時，前后軌道梁位移時程曲線如圖9和圖10所示，震后側(cè)向位移對比如表2所示。

可以看出，鋼筋混凝土橫撐無論采用固接或是鎖扣式連接均能有效的限制前后軌道梁的震后位移差，且效果接近一致。

圖9 前后軌道梁位移時程對比：固接

圖10 前后軌道梁位移時程對比：鎖扣連接

表2 前后軌道梁的震后側(cè)向位移對比

3.4 混凝土橫撐不同連接方式的內(nèi)力對比

盡管混凝土橫撐無論采用固接或鎖扣式連接均能有效的限制前后軌道梁震后位移差，但兩種連接方式的受力機理完全不同。

1）固接時，混凝土橫撐與前后軌道梁以及支撐樁形成一個剛性框架結(jié)構(gòu)，而不同結(jié)構(gòu)在地震振動下的響應(yīng)不同，豎向變形的不同步將導(dǎo)致橫撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加彎矩。橫撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力采用 FLAC整體建模分析求解，彎矩和軸力的時程曲線分別如圖11和圖12所示。

2）鎖扣式連接時，混凝土橫撐的受力近似于彈性地基梁，“活動鎖扣”的設(shè)置能有效地避免前后軌道梁豎向變形不同步引起的附加彎矩。橫撐結(jié)構(gòu)的彎矩和剪力采用彈性地基梁法進行計算，軸力與固接方式的計算結(jié)果一致。從表3可以看出，端部連接方式對混凝土橫撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響顯著，固接方式的橫撐彎矩和剪力遠遠大于鎖扣式連接。采用鎖扣式連接可有效地降低混凝土橫撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力，從而降低結(jié)構(gòu)的鋼筋用量。

圖11 混凝土橫撐固接時的彎矩時程曲線

圖12 混凝土橫撐固接時的軸力時程曲線

表3 橫撐結(jié)構(gòu)不同連接方式的內(nèi)力對比

3.5 不同連接構(gòu)件對比

根據(jù)上文分析，無論采用鋼拉桿或是混凝土橫撐連接，均能有效地減小板樁碼頭前后軌道梁的震后位移差。然而從結(jié)構(gòu)特性角度來看，不同連接結(jié)構(gòu)各有利弊。

1）鋼拉桿抗拉強度較高，對土體的不均勻沉降和上部集中荷載有著較強的適應(yīng)性，但承壓能力較弱，限制位移具有單向性。從圖3和圖5可以看出，前后軌道梁存在明顯的相向運動，即連接構(gòu)件在地震中不僅承受拉力，也將承受著較大的壓力。考慮到鋼拉桿承壓能力較弱，在壓力作用下易發(fā)生屈曲，存在一定的安全隱患，因此不推薦鋼拉桿作為前后軌道梁的抗震連接構(gòu)件。

2）相比于鋼拉桿，鋼筋混凝土橫撐結(jié)構(gòu)能承壓又能承拉，抗彎性能良好，但抗拉能力偏弱。混凝土橫撐采用固接方式進行連接，可以加強前后軌道梁結(jié)構(gòu)的完整性，但無法釋放地震中軌道梁樁基豎向變形不同步引起的附加彎矩。特別的，如果前、后軌道梁之間的填土在使用期存在較大的沉降或存在較大的路面荷載時，橫撐將承受極大的附加彎矩，往往需要設(shè)置中間支撐樁以減小跨度。

3）鎖扣式的連接方式不僅能保證前后軌道梁的地震位移協(xié)調(diào)性，也能通過豎向自由活動釋放地震中軌道梁樁基豎向變形不同步，使用期地基沉降或路面荷載引起的附加彎矩，使結(jié)構(gòu)更為安全，也能節(jié)省造價。因此，從結(jié)構(gòu)受力特性來講，推薦采用鎖扣式連接的鋼筋混凝土橫撐作為強震區(qū)板樁碼頭前后軌道梁的連接構(gòu)件。

4 結(jié)語

1）計算表明，強震區(qū)板樁碼頭前、后軌道梁之間設(shè)置連接構(gòu)件是必要且合理的，能有效的限制前后軌道梁震后位移差。

2）鋼拉桿承壓能力相對較弱，無法承受前后軌道梁在地震中的相向運動，不推薦作為強震區(qū)板樁碼頭的前后軌道梁連接構(gòu)件。

3）混凝土橫撐可以有效的保證板樁碼頭前后軌道梁在地震中的變形協(xié)調(diào)性。混凝土橫撐無論采用固接或鎖扣式連接均能有效的限制前后軌道梁震后位移差，但兩種連接方式的受力機理完全不同，導(dǎo)致彎矩差異較大。

4）相比于固接，鎖扣式的連接能使混凝土橫撐結(jié)構(gòu)的受力更為合理，能有效的消除使用期地基不均勻沉降或碼頭上部荷載引起的附加彎矩。本文推薦采用鎖扣式連接的混凝土橫撐作為強震區(qū)板樁碼頭前后軌道梁的連接構(gòu)件，可為類似項目提供設(shè)計參考。