基于不同標(biāo)準(zhǔn)的高樁碼頭結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法探討

孫 楠，高萬國，鄒 青

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

引言

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是指選擇合理的參數(shù)和作用效應(yīng)組合，采用合理的方法分析結(jié)構(gòu)對地震的響應(yīng)程度和能力，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。不同于國內(nèi)的港口項(xiàng)目，海外有些港口項(xiàng)目位于強(qiáng)震分布帶上，因此抗震設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，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(shè)計(jì)中常常存在這樣的問題：抗震設(shè)計(jì)套用國標(biāo)、美標(biāo)等規(guī)范中的抗震反應(yīng)譜及設(shè)計(jì)要求，而沒有遵循工程所在地抗震規(guī)范的要求，沒有用當(dāng)?shù)氐姆磻?yīng)譜。這樣做抗震設(shè)計(jì)是不正確的，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)一定要基于工程所在地的抗震標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。

為了更好地完成結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)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(jié)了高樁碼頭結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法，并針對一些國家和地區(qū)抗震規(guī)范中的細(xì)節(jié)進(jìn)行了對比與總結(jié)，可以為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 高樁碼頭抗震設(shè)計(jì)方法

地震分析方法主要有底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法以及時程分析法等。對于高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大多采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行。

首先，必須明確的一點(diǎn)是，無論項(xiàng)目合同要求采用何種規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如國際通用的歐洲規(guī)范，美國規(guī)范等，抗震設(shè)計(jì)一定要基于工程所在地的抗震標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。因?yàn)榈卣鸨旧砭哂械赜蛐缘奶卣?，大部分地區(qū)的抗震規(guī)范中都有適用于當(dāng)?shù)氐卣鹛卣鞯姆磻?yīng)譜類型以及地震慣性力的計(jì)算公式，地震慣性力的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算一定是基于當(dāng)?shù)匾?guī)范得出的，這樣的抗震設(shè)計(jì)才是客觀合理的。作用效應(yīng)組合則可以結(jié)合合同要求的規(guī)范進(jìn)行。

其次，在進(jìn)行高樁碼頭抗震設(shè)計(jì)時，一定要注意以下幾點(diǎn)：

1）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。不同國家和地區(qū)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)略有不同。中國規(guī)范[1]的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)可以表述為“小震不壞,中震可修,大震不倒”，設(shè)計(jì)中一般僅對中震可修進(jìn)行驗(yàn)算，采用的是50 年內(nèi)超越概率10 %的地震，對應(yīng)的地震重現(xiàn)期為475 年。

PIANC[2]規(guī)定，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)分為level1 和level2，level1 的定義為50 年內(nèi)超越概率50 %的地震，對應(yīng)的地震重現(xiàn)期為75 年；level2 的定義為50 年內(nèi)超越概率10 %的地震，對應(yīng)的地震重現(xiàn)期為475 年。歐洲規(guī)范[3]抗震分析的兩個水準(zhǔn)為“不倒塌要求和限制破壞要求”，“不倒塌要求”是采用50 年內(nèi)超越概率10 %的地震（對應(yīng)的地震重現(xiàn)期為475 年）進(jìn)行地震力的計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；“限制破壞要求”是采用10 年內(nèi)超越概率10 %的地震（對應(yīng)的地震重現(xiàn)期為95 年），通過位移折減系數(shù)對不倒塌要求下的地震位移反應(yīng)進(jìn)行折減。美國規(guī)范[4]通過“最大考慮地震”和“設(shè)計(jì)地震”這兩個水準(zhǔn)來達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。“最大考慮地震”為50 年內(nèi)超越概率2 %的地震，對應(yīng)的地震重現(xiàn)期為2475年；考慮到地震因地區(qū)不同而有所差異，故“設(shè)計(jì)地震”采用50 年內(nèi)超越概率5 %～ 10 %的地震，其反應(yīng)譜加速度為“最大考慮地震”反應(yīng)譜加速度的2/3。菲律賓規(guī)范[5]中關(guān)于地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，也是重現(xiàn)期為475 年的，50 年內(nèi)超越概率10 %的地震。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前一定要清楚項(xiàng)目所在地地震規(guī)范中的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)。

2）反應(yīng)譜曲線。反應(yīng)譜曲線的形狀一般由地震烈度、場地類別、設(shè)計(jì)地震分組、結(jié)構(gòu)性能以及結(jié)構(gòu)自振周期等因素決定。不同國家和地區(qū)的規(guī)范中規(guī)定的反應(yīng)譜曲線不同。比如中國規(guī)范中，國標(biāo)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）中規(guī)定的反應(yīng)譜為α 譜，而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]（JTS146-2012）中規(guī)定的反應(yīng)譜為β 譜，二者決定曲線形狀的參數(shù)是不同的。中國抗震規(guī)范的反應(yīng)譜是以地震影響系數(shù)的形式給出，且反應(yīng)譜的周期最大為6 秒，對于周期大于6 秒的結(jié)構(gòu)需要單獨(dú)進(jìn)行研究。歐洲抗震規(guī)范EC8 中給出了彈性反應(yīng)譜，通過結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q 將彈性反應(yīng)譜折減得到設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。美國規(guī)范、菲律賓規(guī)范以及孟加拉規(guī)范中給出的是設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜曲線，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，將上述反應(yīng)譜通過反應(yīng)修正系數(shù)R 折減后得到彈塑性反應(yīng)譜，而后進(jìn)行地震力的計(jì)算。綜上所述，抗震設(shè)計(jì)中所用的反應(yīng)譜曲線一定要符合工程所在地抗震規(guī)范中的規(guī)定，這樣的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)結(jié)果才是符合實(shí)際的。

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

4）了解各規(guī)范中地震加速度是如何使用的。比如美國地震動區(qū)劃圖中給出的是最大考慮地震，對應(yīng)的地震重現(xiàn)期為2475 年，按照美國規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時，需要將最大考慮地震加速度反應(yīng)譜乘以2/3 轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)地震加速度反應(yīng)譜。孟加拉規(guī)范的地震公式中，需要將地震系數(shù)Z 乘以2/3，同樣是轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)地震進(jìn)行計(jì)算。

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

6）掌握與場地類型相關(guān)的系數(shù)的選取。場地是指較大范圍內(nèi)的工程結(jié)構(gòu)所在地，為了體現(xiàn)場地條件對設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的影響，各國抗震規(guī)范中的反應(yīng)譜都考慮了場地影響系數(shù)，不同的場地類型有不同的地震設(shè)計(jì)參數(shù)，因而反應(yīng)譜的形狀也不同。例如，中國規(guī)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(yīng)譜曲線；美國規(guī)范地震反應(yīng)譜中的Fa 和Fv、菲律賓規(guī)范中的Ca 和Cv，孟加拉規(guī)范以及歐洲規(guī)范反應(yīng)譜中的S 也都是對場地類型的體現(xiàn)。

7）掌握雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)的組合方式。例如，國標(biāo)中非主導(dǎo)方向地震力的組合系數(shù)為0.85，而歐洲規(guī)范、美國規(guī)范，孟加拉規(guī)范、菲律賓規(guī)范以及印尼規(guī)范中非主導(dǎo)方向地震力的組合系數(shù)均為0.3。

8）明確抗震設(shè)計(jì)時結(jié)構(gòu)質(zhì)量源計(jì)算中均載系數(shù)的選取。比如，美國規(guī)范中均載的系數(shù)為0.1；PIANC 中均載的系數(shù)為0.2；歐洲規(guī)范EC8 中按照荷載的準(zhǔn)永久系數(shù)考慮，根據(jù)BS6349-1-2：2016[7]中的規(guī)定，一般件雜貨和碼頭前沿集裝箱荷載的系數(shù)為0.3，散貨及液體荷載的系數(shù)為0.8；國標(biāo)中均載系數(shù)為0.5，而《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中均載的系數(shù)為0.7。

以上為高樁碼頭結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及地震慣性力計(jì)算中涉及到的參數(shù)、反應(yīng)譜及荷載系數(shù)等內(nèi)容。在此基礎(chǔ)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(guī)范進(jìn)行。各國規(guī)范中對于地震工況的作用效應(yīng)組合有所差異。例如，美國規(guī)范ASCE 61-14[8]中規(guī)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(shù)來體現(xiàn)。歐洲規(guī)范規(guī)定的地震工況中，可變作用乘以準(zhǔn)永久系數(shù)，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(shù)的不同來體現(xiàn)?！端\(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中地震工況考慮系纜力，并需要乘以分項(xiàng)系數(shù)和抗震組合系數(shù)。充分掌握上述內(nèi)容后，可以進(jìn)行高樁碼頭結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

2 工程實(shí)例

下面選取菲律賓某項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，詳細(xì)梳理上述設(shè)計(jì)方法。

菲律賓八打雁省某項(xiàng)目，水工結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)。合同規(guī)定采用美國標(biāo)準(zhǔn)。地質(zhì)勘察報告中指出，工程所在區(qū)域位于地震4 區(qū)，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(guī)范《NATIONAL STRUCTURAL CODE OF THE PHILIPPINES 2010》中規(guī)定的地震反應(yīng)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(jù)規(guī)范規(guī)定，地震區(qū)域?yàn)? 區(qū)時，地震區(qū)域系數(shù)Z 為0.4；震源類型為A 型時，近源系數(shù)Na 和Nv 取1.0；場地類型為SD，區(qū)域系數(shù)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(yīng)譜曲線，對于a=0.26 的反應(yīng)譜曲線，將上述曲線按比例折減可以得到。地震力計(jì)算公式為：

式中：I 為重要性系數(shù)，R 為反應(yīng)修正系數(shù)。對于本工程而言，重要性系數(shù)I 取1.0，反應(yīng)修正系數(shù)R 取為3.5，根據(jù)這些參數(shù)的取值就可以計(jì)算出地震慣性力的標(biāo)準(zhǔn)值?？紤]雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)，菲律賓規(guī)范中非主導(dǎo)方向的組合系數(shù)為0.3。理清上述內(nèi)容后，采用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，根據(jù)合同規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震作用效應(yīng)組合，從而完成結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)工作。

3 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性

進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時，需要考慮結(jié)構(gòu)的功能要求、使用壽命以及社會經(jīng)濟(jì)性。對于地震烈度較高的地區(qū)，如果工程使用壽命較短，投資較少，適當(dāng)降低抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)可大大減少工程投資。這就需要充分與業(yè)主溝通，在滿足業(yè)主需求的基礎(chǔ)上采用適宜的地震參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。

印尼馬魯古省某卸煤碼頭項(xiàng)目，工程所在區(qū)域50 年超越概率10 %的設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.40 g，重現(xiàn)期為475 年。鑒于本地區(qū)地震烈度較高，在與業(yè)主充分溝通下，為了節(jié)省投資，確定本工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用重現(xiàn)期為98 年的，50 年內(nèi)超越概率40 %的地震，地震加速度為0.20 g。

4 結(jié)語

1）抗震設(shè)計(jì)一定要基于工程所在地的抗震標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果才是客觀合理的。

2）抗震設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)較多，不同國際規(guī)范各有不同，作為設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎對待，正確選取參數(shù)、模型、公式及組合等。

3）進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時，需要積極與業(yè)主溝通，從結(jié)構(gòu)功能、使用壽命以及社會經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，綜合考慮確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。