基于不同標準的高樁碼頭結構抗震設計方法探討

孫 楠，高萬國，鄒 青

(中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220)

引言

結構抗震設計是指選擇合理的參數和作用效應組合，采用合理的方法分析結構對地震的響應程度和能力，從而指導結構抗震設計。不同于國內的港口項目，海外有些港口項目位于強震分布帶上，因此抗震設計是結構設計的關鍵點，也是控制工程造價的主要因素。

以往接觸到的高樁碼頭工程設計中常常存在這樣的問題：抗震設計套用國標、美標等規范中的抗震反應譜及設計要求，而沒有遵循工程所在地抗震規范的要求，沒有用當地的反應譜。這樣做抗震設計是不正確的，結構抗震設計一定要基于工程所在地的抗震標準和規范進行。

為了更好地完成結構抗震設計工作以及對國外咨詢工程師提出的問題做出合理的解釋，本文總結了高樁碼頭結構的抗震設計方法，并針對一些國家和地區抗震規范中的細節進行了對比與總結，可以為類似工程結構設計提供參考。

1 高樁碼頭抗震設計方法

地震分析方法主要有底部剪力法、振型分解反應譜法以及時程分析法等。對于高樁碼頭結構設計，大多采用振型分解反應譜法進行。

首先，必須明確的一點是，無論項目合同要求采用何種規范進行結構設計，比如國際通用的歐洲規范，美國規范等，抗震設計一定要基于工程所在地的抗震標準和規范進行。因為地震本身具有地域性的特征，大部分地區的抗震規范中都有適用于當地地震特征的反應譜類型以及地震慣性力的計算公式，地震慣性力的標準值計算一定是基于當地規范得出的，這樣的抗震設計才是客觀合理的。作用效應組合則可以結合合同要求的規范進行。

其次，在進行高樁碼頭抗震設計時，一定要注意以下幾點：

1）抗震設防標準。不同國家和地區的抗震設防標準略有不同。中國規范[1]的抗震設防標準可以表述為“小震不壞,中震可修,大震不倒”，設計中一般僅對中震可修進行驗算，采用的是50 年內超越概率10 %的地震，對應的地震重現期為475 年。

PIANC[2]規定，抗震設防標準分為level1 和level2，level1 的定義為50 年內超越概率50 %的地震，對應的地震重現期為75 年；level2 的定義為50 年內超越概率10 %的地震，對應的地震重現期為475 年。歐洲規范[3]抗震分析的兩個水準為“不倒塌要求和限制破壞要求”，“不倒塌要求”是采用50 年內超越概率10 %的地震（對應的地震重現期為475 年）進行地震力的計算和結構設計；“限制破壞要求”是采用10 年內超越概率10 %的地震（對應的地震重現期為95 年），通過位移折減系數對不倒塌要求下的地震位移反應進行折減。美國規范[4]通過“最大考慮地震”和“設計地震”這兩個水準來達到抗震設防目標。“最大考慮地震”為50 年內超越概率2 %的地震，對應的地震重現期為2475年；考慮到地震因地區不同而有所差異，故“設計地震”采用50 年內超越概率5 %～ 10 %的地震，其反應譜加速度為“最大考慮地震”反應譜加速度的2/3。菲律賓規范[5]中關于地震設防標準的規定，也是重現期為475 年的，50 年內超越概率10 %的地震。因此，設計人員在進行結構設計前一定要清楚項目所在地地震規范中的抗震設防標準，并進行相應的抗震設計。

2）反應譜曲線。反應譜曲線的形狀一般由地震烈度、場地類別、設計地震分組、結構性能以及結構自振周期等因素決定。不同國家和地區的規范中規定的反應譜曲線不同。比如中國規范中，國標《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）中規定的反應譜為α 譜，而行業標準《水運工程抗震設計規范》[6]（JTS146-2012）中規定的反應譜為β 譜，二者決定曲線形狀的參數是不同的。中國抗震規范的反應譜是以地震影響系數的形式給出，且反應譜的周期最大為6 秒，對于周期大于6 秒的結構需要單獨進行研究。歐洲抗震規范EC8 中給出了彈性反應譜，通過結構性能系數q 將彈性反應譜折減得到設計反應譜。美國規范、菲律賓規范以及孟加拉規范中給出的是設計加速度反應譜曲線，在結構設計過程中，將上述反應譜通過反應修正系數R 折減后得到彈塑性反應譜，而后進行地震力的計算。綜上所述，抗震設計中所用的反應譜曲線一定要符合工程所在地抗震規范中的規定，這樣的結構抗震設計結果才是符合實際的。

3）清楚基本地震動峰值加速度的體現方式。有的規范基本地震動峰值加速度體現在地震慣性力的公式中，有的則體現在反應譜中。比如，歐洲規范、美國規范、菲律賓規范、印尼規范以及秘魯規范中的基本地震動峰值加速度都是體現在反應譜里，有的直接乘以基本地震動峰值加速度的數值，有的則是基于加速度而選用不同的參數；而孟加拉規范以及中國規范中的基本地震動峰值加速度，則是體現在地震慣性力的公式中，以地震影響系數的形式出現。

4）了解各規范中地震加速度是如何使用的。比如美國地震動區劃圖中給出的是最大考慮地震，對應的地震重現期為2475 年，按照美國規范進行抗震設計時，需要將最大考慮地震加速度反應譜乘以2/3 轉化為設計地震加速度反應譜。孟加拉規范的地震公式中，需要將地震系數Z 乘以2/3，同樣是轉化為設計地震進行計算。

5）弄清抗震設計中是否需要乘以I/R。這里I為重要性系數，R 為反應修正系數。有些國家和地區規范中的地震力公式需要乘以I/R，比如美國規范、菲律賓規范以及孟加拉規范等。不同的規范，I/R 的取值也有所差異，這兩個系數直接影響地震慣性力的計算結果。例如，對于R 的取值，美國規范為2，菲律賓規范為3.5，孟加拉規范值為3。幾個規范中的重要性系數取值原則一致。歐洲規范中，雖然公式中不體現I/R，但是需要判斷結構的重要性等級并選取相應的重要性系數。對于LNG碼頭的工作平臺及管線橋等高樁結構，重要性等級一般為三級，需要考慮1.3 的重要性系數。

6）掌握與場地類型相關的系數的選取。場地是指較大范圍內的工程結構所在地，為了體現場地條件對設計反應譜的影響，各國抗震規范中的反應譜都考慮了場地影響系數，不同的場地類型有不同的地震設計參數，因而反應譜的形狀也不同。例如，中國規范中特征周期是由場地類型和地震分組決定的，不同的特征周期會得出不同的反應譜曲線；美國規范地震反應譜中的Fa 和Fv、菲律賓規范中的Ca 和Cv，孟加拉規范以及歐洲規范反應譜中的S 也都是對場地類型的體現。

7）掌握雙向水平地震作用下的扭轉耦聯效應的組合方式。例如，國標中非主導方向地震力的組合系數為0.85，而歐洲規范、美國規范，孟加拉規范、菲律賓規范以及印尼規范中非主導方向地震力的組合系數均為0.3。

8）明確抗震設計時結構質量源計算中均載系數的選取。比如，美國規范中均載的系數為0.1；PIANC 中均載的系數為0.2；歐洲規范EC8 中按照荷載的準永久系數考慮，根據BS6349-1-2：2016[7]中的規定，一般件雜貨和碼頭前沿集裝箱荷載的系數為0.3，散貨及液體荷載的系數為0.8；國標中均載系數為0.5，而《水運工程抗震設計規范》中均載的系數為0.7。

以上為高樁碼頭結構抗震設計及地震慣性力計算中涉及到的參數、反應譜及荷載系數等內容。在此基礎上，還要明確荷載組合的方式。這就可以按照工程合同要求的規范進行。各國規范中對于地震工況的作用效應組合有所差異。例如，美國規范ASCE 61-14[8]中規定，地震工況不考慮系纜力，永久荷載對于拉樁和壓樁的不同作用通過乘以（1±0.5PGA）的系數來體現。歐洲規范規定的地震工況中，可變作用乘以準永久系數，所以也不考慮系纜力，永久荷載對于拉樁和壓樁的不同作用通過系數的不同來體現。《水運工程抗震設計規范》中地震工況考慮系纜力，并需要乘以分項系數和抗震組合系數。充分掌握上述內容后，可以進行高樁碼頭結構抗震設計。

2 工程實例

下面選取菲律賓某項目進行結構抗震設計，詳細梳理上述設計方法。

菲律賓八打雁省某項目，水工結構采用高樁梁板式碼頭結構。合同規定采用美國標準。地質勘察報告中指出，工程所在區域位于地震4 區，震源類型為A 類，場地類型為SD，地震加速度為0.26g。菲律賓規范《NATIONAL STRUCTURAL CODE OF THE PHILIPPINES 2010》中規定的地震反應譜曲線中，上升段為線性公式，T/Ts=0 時，縱軸加速度為Ca；T/Ts=0.2 時，加速度為2.5Ca。平直段，加速度保持2.5Ca。曲線下降段的公式為Cv/T。根據規范規定，地震區域為4 區時，地震區域系數Z 為0.4；震源類型為A 型時，近源系數Na 和Nv 取1.0；場地類型為SD，區域系數Z 為0.4 時，Ca=0.44Na，Cv=0.64Nv，所以，Ca=0.44，Cv=0.64。曲線中Ts=Cv/2.5Ca=0.582。這樣，可以得到Z=0.4 的加速度反應譜曲線，對于a=0.26 的反應譜曲線，將上述曲線按比例折減可以得到。地震力計算公式為：

式中：I 為重要性系數，R 為反應修正系數。對于本工程而言，重要性系數I 取1.0，反應修正系數R 取為3.5，根據這些參數的取值就可以計算出地震慣性力的標準值。考慮雙向水平地震作用下的扭轉耦聯效應，菲律賓規范中非主導方向的組合系數為0.3。理清上述內容后，采用有限元軟件對結構進行建模，根據合同規定的標準進行抗震作用效應組合，從而完成結構的抗震設計工作。

3 結構抗震設計的經濟性

進行結構抗震設計時，需要考慮結構的功能要求、使用壽命以及社會經濟性。對于地震烈度較高的地區，如果工程使用壽命較短，投資較少，適當降低抗震設防標準可大大減少工程投資。這就需要充分與業主溝通，在滿足業主需求的基礎上采用適宜的地震參數進行結構抗震設計。

印尼馬魯古省某卸煤碼頭項目，工程所在區域50 年超越概率10 %的設計基本地震加速度為0.40 g，重現期為475 年。鑒于本地區地震烈度較高，在與業主充分溝通下，為了節省投資，確定本工程抗震設防標準采用重現期為98 年的，50 年內超越概率40 %的地震，地震加速度為0.20 g。

4 結語

1）抗震設計一定要基于工程所在地的抗震標準和規范進行。這樣的設計結果才是客觀合理的。

2）抗震設計細節較多，不同國際規范各有不同，作為設計人員必須謹慎對待，正確選取參數、模型、公式及組合等。

3）進行結構抗震設計時，需要積極與業主溝通，從結構功能、使用壽命以及社會經濟性的角度出發，綜合考慮確定抗震設防標準。