基于國際標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)震作用下高樁結(jié)構(gòu)LNG碼頭樁基布置

虞 鑫，曹凱平，孔友南

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 上海 200032)

抗震設(shè)計是碼頭水工建筑物設(shè)計中的一個重要部分。對于LNG碼頭，由于其安全等級要求高，對于抗震設(shè)計的要求較常規(guī)碼頭要更高。對于強(qiáng)震地區(qū)的LNG碼頭設(shè)計，如何合理確定結(jié)構(gòu)方案、充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的抗震能力，是設(shè)計過程中需要著重解決的問題。

對于境外項(xiàng)目，通常需要按照國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方面，目前國際上較為主流的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)包括歐標(biāo)、美標(biāo)及日本標(biāo)準(zhǔn)等。本文主要結(jié)合歐標(biāo)規(guī)范中的抗震相關(guān)規(guī)定，根據(jù)LNG碼頭的特殊性提出了高樁墩式結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中需要注意的方面。

高樁墩式結(jié)構(gòu)主要由樁基來承受豎向及水平荷載，樁基布置形式對結(jié)構(gòu)整體的承載能力具有重要影響。如果方案不合理，可能造成部分樁基受力集中、造成局部破壞，而其余樁受力較小、承載力沒有充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的承載能力受部分樁基的制約，無法滿足設(shè)計要求。同時，也應(yīng)避免過度加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，這么做盡管承載能力滿足設(shè)計要求，但同時也提高了工程造價，造成不必要的浪費(fèi)。對于一般工程中的高樁墩臺結(jié)構(gòu)，考慮施工便利，通常將樁的斜度統(tǒng)一采用某一固定值。這種樁基布置方案在一般工程條件下是合理的，但在強(qiáng)震工況下，按此規(guī)則布樁，會造成樁受力分布不均勻。

1 設(shè)計方法

本文依托工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為歐標(biāo)，故采用歐標(biāo)抗震規(guī)范EUROCODE 8Designofstructuresforearthquakeresistance(EN 1998-1)[1]，應(yīng)用振型分解反應(yīng)譜法，通過有限元軟件，對幾種不同的樁基布置方案進(jìn)行分析比較，并根據(jù)計算結(jié)果推薦了適用于強(qiáng)震地區(qū)LNG碼頭的墩臺布樁方案。

1.1 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

歐洲規(guī)范抗震設(shè)計采用兩級設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：1)不坍塌要求。當(dāng)遭受50 a一遇超越概率10%(重現(xiàn)期475 a)的設(shè)計地震作用時，結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計和建造成能抵抗設(shè)計地震作用、無局部或整體坍塌、并在地震后能夠繼續(xù)保持結(jié)構(gòu)的整體性和一定的殘余承載力。2)有限破壞要求。當(dāng)遭受10 a一遇超越概率10%(重現(xiàn)期95 a)的設(shè)計地震作用時，結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計和建造成能抵抗地震作用、沒有損壞且不會造成使用上的限制。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計中，一般以不坍塌要求，即475 a重現(xiàn)期的地震為基準(zhǔn)，一般規(guī)范所附的地震烈度區(qū)劃圖也以對應(yīng)475 a重現(xiàn)期的烈度表示。

對于LNG碼頭，按NFPA59A的要求，抗震等級分成兩個等級：operating basis earthquake(OBE)，超越概率為50 a內(nèi)10%(重現(xiàn)期475 a)；safe shutdown earthquake(SSE)，超越概率為50 a內(nèi)2%(重現(xiàn)期2 475 a)。要求OBE地震作用下碼頭可以維持運(yùn)營，在SSE地震作用下結(jié)構(gòu)不坍塌。

1.2 地震作用及反應(yīng)譜

在抗震設(shè)計中，常用的計算方法包括振型分解反應(yīng)譜法、Pushover法和時程分析法。振型分解反應(yīng)譜法是一種用靜力學(xué)方法近似解決動力學(xué)問題的簡易方法，相對于其他兩種方法，反應(yīng)譜法在計算簡單構(gòu)件且不考慮塑性變形的條件下具有較高的效率。反應(yīng)譜法是利用單自由度體系的加速度設(shè)計反應(yīng)譜和振型分解的原理，求解各階振型對應(yīng)的等效地震作用，然后按照一定的組合原則對各階振型的地震作用效應(yīng)進(jìn)行組合，從而得到多自由度體系的地震作用效應(yīng)[2-6]。

歐洲抗震規(guī)范EN 1998-1以加速度的形式給出了反應(yīng)譜，并假定不同水準(zhǔn)的地震彈性反應(yīng)譜形狀相同，其彈性反應(yīng)譜曲線由式(1)～(4)確定，反應(yīng)譜見圖1。

圖1 歐標(biāo)反應(yīng)譜

(1)

Se(T)=2.5agSη(TB

(2)

(3)

(4)

式中：Se為彈性反應(yīng)譜；ag為設(shè)計地面加速度；S為場地放大系數(shù)，由場地類型決定；η為阻尼調(diào)整系數(shù)，對于絕大多數(shù)建筑阻尼取5%，則η取值為1；T為單自由度體系振動周期；TB、TC、TD為由場地土類別決定的特征周期。

歐標(biāo)EN 1998-1規(guī)范中對于設(shè)計反應(yīng)譜做出了規(guī)定，指出結(jié)構(gòu)體系在彈塑性階段抵抗地震動所需的地震剪力要比彈性反應(yīng)下的地震剪力小。在設(shè)計中為了避免對結(jié)構(gòu)彈塑性的精確分析，依賴于結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件延性性能或其他機(jī)制的耗能能力，通過將彈性反應(yīng)譜進(jìn)行折減得到設(shè)計反應(yīng)譜，折減因子稱為性能系數(shù)，用q表示。經(jīng)性能系數(shù)折減后的水平方向的地震設(shè)計譜值Sd(T),由式(5)～(8)確定。

(5)

(6)

(TC

(7)

(TD

(8)

式中：Sd(T)為設(shè)計反應(yīng)譜；q為性能系數(shù)；β為水平設(shè)計反應(yīng)譜下界系數(shù)。

1.3 地震力與自振周期、剛度、位移

根據(jù)反應(yīng)譜法的基本原理，單質(zhì)點(diǎn)線性結(jié)構(gòu)所受的地震力與結(jié)構(gòu)質(zhì)量M、自振周期T及阻尼系數(shù)有關(guān)，而通常結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)很小，可忽略不計。所以通過T查出反應(yīng)譜上對應(yīng)的反應(yīng)加速度a，乘以質(zhì)量M從而得出地震力F，見式(9)：

F=Ma

(9)

自振周期T與側(cè)向剛度K及質(zhì)量M有關(guān)，見式(10)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度K減小時，結(jié)構(gòu)的自振周期將會增大。當(dāng)計算得出自振周期T大于TC時，根據(jù)圖2可知，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)加速度將隨T的增大而減小。此時，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量沒有明顯變化的情況下，結(jié)構(gòu)所受的地震力將隨之減小。

(10)

進(jìn)一步考慮地震力下的位移D與側(cè)向剛度K的關(guān)系，見式(11)。假定某結(jié)構(gòu)質(zhì)量不變，側(cè)向剛度不斷增加，根據(jù)不同的自振周期，以圖2反應(yīng)譜為例，得出反應(yīng)加速度，從而得到地震力。并根據(jù)求得的地震力求出結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，得到側(cè)向剛度和位移的一般規(guī)律曲線，見圖3。

(11)

圖2 反應(yīng)譜

圖3 側(cè)向剛度與位移關(guān)系曲線

由圖3可見，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的增加，在質(zhì)量不變的情況下，結(jié)構(gòu)的位移會不斷降低。

由上可知，雖然結(jié)構(gòu)剛度增加會增加地震力，但結(jié)構(gòu)整體位移仍隨著剛度的增加而下降。故為了減小結(jié)構(gòu)位移，仍可通過增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度。

2 樁基布置形式及案例分析

地震作用具有往復(fù)性，因此與常規(guī)的水平荷載，如系纜力、靠泊力不同，地震荷載需要考慮雙向作用。在強(qiáng)震工況下，為減小水平位移，高樁墩臺可采用斜樁結(jié)構(gòu)，同時樁基宜對稱布置。

為了解不同樁基布置對于結(jié)構(gòu)承載能力的影響，文中采取了3種不同的樁基布置方案進(jìn)行比較。以南亞某LNG項(xiàng)目為例，工作平臺尺寸30 m×30 m，樁基采用30根φ1 200 mm鋼管樁，同時外部荷載按15 kNm2均載考慮。根據(jù)工程所在地的地震加速，繪制OBE及SSE工況設(shè)計反應(yīng)譜見圖4。

圖4 水平設(shè)計反應(yīng)譜

方案1：采用全直樁方案；方案2：采用斜樁方案，內(nèi)外斜度相同，斜度均采用4:1，樁基對稱布置；方案3：采用斜樁方案，階梯斜度布樁，外側(cè)樁斜度較大，斜度為4:1，內(nèi)側(cè)樁斜度較小，分別為6:1、8:1，樁基對稱布置，各方案樁基布置見圖5。并采用Autodesk ROBOT建模進(jìn)行計算，見圖6。計算結(jié)果見表1。

圖5 樁基布置(單位：mm)

圖6 計算模型

表1 計算結(jié)果

由上述結(jié)果可知，方案1全直樁方案剛度最小，自振周期最大，樁身最大壓力最小，無拉力，但位移最大；方案2結(jié)構(gòu)剛度在3個方案中最大，自振周期最小，樁身的最大壓力及拉力均很大，樁承載力無法滿足要求，但位移最??；方案3結(jié)構(gòu)剛度及自振周期介于方案1和方案2之間，樁身壓力、拉力均能夠滿足要求，且位移較方案2要小。

可見，對于LNG碼頭這種抗震等級高、且對于位移有限制要求的工程，方案3較其他兩種樁基布置形式更加合理。

3 結(jié)論

1)LNG碼頭抗震要求高，歐標(biāo)中沒有專門針對LNG碼頭的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，因此可采用NFPA59A標(biāo)準(zhǔn)，并按歐標(biāo)的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計。

2)不同的樁基布置形式對結(jié)構(gòu)的自身剛度影響較大，提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度會增加結(jié)構(gòu)的地震力，但隨著剛度的增加，結(jié)構(gòu)的整體位移仍會下降。

3)對于大型LNG碼頭高樁墩式結(jié)構(gòu)，布置多排樁基時，如采用全直樁方案，結(jié)構(gòu)位移較大。如采用相同斜率方案，在地震作用下，部分樁基樁力較大，且樁力分布很不均勻。推薦采用內(nèi)外不同斜率的布樁方式，可有效降低最大樁力和樁的拉力，同時可控制結(jié)構(gòu)整體位移，較適用于強(qiáng)震地區(qū)的LNG碼頭。