菲律賓某板樁碼頭抗震設計

祁澤鵬

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

板樁碼頭是傳統三大碼頭結構類型之一，具有結構簡單、材料用量少，施工方便，可預制程度高等優點。位于強震區的板樁碼頭結構，除承受施工和運營過程中的一般靜力作用外，還要承受到地震產生的動土壓力、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，強烈的地震作用會產生超孔隙水壓力，容易導致地基發生液化[2]。因此，板樁結構的抗震設計極其重要。

目前，國內板樁碼頭抗震設計主要是依據《水運工程抗震設計規范》（JTS 146-2012）[3]。該規范主要關注結構強度和應力狀態，對于位移狀態內容較少提及。從結構抗震安全層面而言，對結構安全性起控制作用的往往是變形問題而非強度問題，以變形為準則來衡量巖土構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《港口結構抗震設計指南》(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的抗震設計方法[4]。本文以菲律賓某集裝箱板樁碼頭工程為例，采用該指南進行抗震設計，為海外工程板樁碼頭抗震設計提供一定的借鑒。

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建220 m 長的鋼板樁碼頭岸線。碼頭設計船型為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構，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梁連接；前后板樁結構通過鋼拉桿連接，拉桿直徑70 mm，屈服強度為550 MPa。

2 抗震設計要求和PIANC指南介紹

2.1 抗震設計要求

菲律賓位于環太平洋地震帶，板塊移動劇烈，地震頻發且地震強度高，其475 年一遇地震基本加速度為0.4g（L2 地震）。根據招標文件要求，本項目地震設計標準為Grade B 即“小震不壞（L1 地震），中震不倒（L2 地震）”。同時業主招標文件的設計要求中對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。

此外，招標文件中“設計性能要求”里對地震設計的規定如下：碼頭及其附屬設置的抗震設計要根據最新版的PIANC《港口結構抗震設計指南》中規定的基于性能分析的設計方法，并經過業主咨詢工程師的審批。

2.2 PIANC《港口結構抗震設計指南》介紹

國際航運協會（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計，PIANC《港口結構抗震設計指南》（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計的國際港口設計指南。指南共由正文和8 個技術附件組成，其中正文部分詳細闡述了各種碼頭結構形式基于性能要求的抗震設計原則、設計標準、及設計方法；技術附件則主要提供了具體的抗震設計范例。

指南中最核心的設計理念即為基于性能的抗震設計。具體而言，其對港口結構物在地震作用下的破壞等級進行了如表1 所示的劃分，將結構物破壞等級劃分為4 檔。同時，將港口結構物抗震設計的性能等級分為S，A，B，C 四檔，如表2 所示。對于不同的港口結構物，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。設計人員在進行具體的設計工作時，應根據港口結構物的投資定位和使用功能來確定該結構物的抗震性能等級和破壞等級，然后依據結構形式確定具體的抗震設計參數。

表1 破壞等級劃分

表2 性能等級劃分

3 抗震設計

3.1 抗震設計參數輸入

1）分析方法

板樁結構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用時間最長，經驗最多，需要的輸入的參數也最少，因此一般結構設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確度不高，而位移是基于性能的抗震設計最重要的參數。為彌補擬靜力法的缺陷，在此次設計當中，采用位移計算準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構。本項目采用擬靜力法的板樁分析方法及設計標準，如表3。

表3 設計分析方法及標準

表3 中所列的位移設計標準均是根據PIANC中對于板樁結構的一般規定，在設計過程中應針對實際的項目情況作專門分析。對于結構在L2 地震工況下的設計標準，指南要求材料可以達到塑性狀態（Plastic＜less than ductility factor/strain limit＞）。鑒于此，與業主咨詢工程師就是否應該采用破斷強度作為L2 的設計應力標準進行了探討。經探討分析，認為在破斷強度條件下鋼材會發生非常大的位移。以鋼拉桿為例，35 m 長的鋼拉桿在破斷之前會產生35×0.12=4.2 m 的位移。這個位移下，碼頭結構已經倒塌。經參考歐洲設計標準及美國設計標準，在地震工況下均允許對鋼材屈服應力進行放大使用。其中，歐洲標準放大系數為1.25，美國標準放大系數為1.33[6]。在此情況下，鋼材屈服強度的設計值仍有95 %的保證率。經過多次討論，與業主咨詢工程師達成一致：對于L2 這種偶然發生的地震，可以適當降低保證率，以鋼材強度的標準值作為L2 抗震的設計強度是合適且可接受的。

2）參數輸入

根據工程所在區域的基本加速度、地基條件，結合規范要求，地震設計輸入參數見表4。

表4 地震設計輸入參數

3.2 計算軟件及方法

本工程中板樁的抗震設計采用GEO5 巖土設計和分析軟件，該軟件內嵌歐洲規范和設計標準。歐洲規范不采用中國標準的彈性支點法，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是結構周圍的巖土材料是理想的彈塑性Winkler 材料[8]。材料性質由水平反力系數kh和極限彈性變形決定，其中水平反力系數描述了材料在彈性區域的變形行為。當超過極限彈性變形時，材料表現為理想塑性。該方法還采用以下假設：作用在結構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kh被賦值到每一個單元，并且結構受靜止土壓力作用，如圖1 所示。

圖1 第一次迭代計算前的板樁結構受力示意

2）分析開始后，軟件對作用在結構每個單元上的土壓力大小進行檢查。若其大小超出了極限土壓力的范圍，軟件將調整該處的kh=0，并在該處施加相應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構受力示意

3）以上過程將進行持續迭代計算，直到結構上各個地方的土壓力都滿足要求。

4 計算結果

4.1 前板樁墻計算

根據該項目的地質勘察資料、水文信息和荷載要求，使用GEO5 軟件搭建計算模型。結果表明：本項目位移控制工況為L1 工況，應力控制工況為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營的要求是設計重點。L2工況下結構彎矩最大，同時由于板樁墻同時承擔軸向力作用，如何進行抗屈曲設計是重點。

4.2 L1 工況下抗震設計

L1 地震工況的計算結果顯示，在L1 工況下板樁結構應力仍然在彈性范圍內且有較大富余量。因此L1 工況下抗震設計的重點就是位移控制。為了滿足設計要求，采用如下思路進行設計：

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對L1 地震下位移的調節量。

前板樁墻的位移由前板樁墻在地震土壓力、波浪力、集裝箱卸船機輪壓等外力作用下產生的位移、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生的位移及由可變作用產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。因此在設計中需重點關注可變作用引起的位移。

計算結果表明，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。因此前軌道的設計只需要考慮應對L1地震工況下40.2+7-12.1=35 mm 的位移。經過與軌道供應商溝通，對集裝箱岸橋軌道的前軌進行了如圖3 所示雙層墊板的特殊設計，使其能夠調節40 mm 的位移，進而滿足了L1 地震工況下的設計要求，獲得了業主咨詢工程師的認可。

圖3 雙層墊板的特殊軌道設計

4.3 L2 工況下地震設計

L2 工況下的計算結果顯示，由于地震產生的動土壓力、動水壓力較大，板樁墻彎矩達到4 248 kN·m，最大位移達到了153.3 mm。按照指南要求，經與業主工程師商議，可以用鋼材強度的標準值作為L2抗震的設計強度。由于鋼板樁直徑較大、壁厚較薄，屬于薄殼結構。為提高鋼管板樁抗屈曲的能力且提高經濟性，采用了在鋼管板樁中充灌吹填砂以提高結構整體強度的設計。

5 結語

1）地震作用下港口結構物作用機理復雜，僅僅關注強度，忽略位移是不全面的抗震設計方法。PIANC《港口結構抗震設計指南》提供了港口結構物全新的抗震設計方法，其基于性能的抗震設計理念也是當今國際主流的抗震設計理念，值得學習借鑒。

2）通過限制位移控制港口結構物在地震下的損傷程度，設計人員更容易理解和區分。L1 地震工況下的設計主要是關注結構位移問題，而在L2 工況下的設計主要是關注結構強度問題。

3）在板樁碼頭的抗震設計中，要注意結合項目特點和業主的要求，針對具體問題作專門的分析，靈活運用多種手段應對位移和結構強度。