基于不同标准的高桩码头结构抗震设计方法探讨

2022-10-22高万国

港工技术 2022年5期

孙楠，高万国，邹青

(中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220)

引言

结构抗震设计是指选择合理的参数和作用效应组合，采用合理的方法分析结构对地震的响应程度和能力，从而指导结构抗震设计。不同于国内的港口项目，海外有些港口项目位于强震分布带上，因此抗震设计是结构设计的关键点，也是控制工程造价的主要因素。

以往接触到的高桩码头工程设计中常常存在这样的问题：抗震设计套用国标、美标等规范中的抗震反应谱及设计要求，而没有遵循工程所在地抗震规范的要求，没有用当地的反应谱。这样做抗震设计是不正确的，结构抗震设计一定要基于工程所在地的抗震标准和规范进行。

为了更好地完成结构抗震设计工作以及对国外咨询工程师提出的问题做出合理的解释，本文总结了高桩码头结构的抗震设计方法，并针对一些国家和地区抗震规范中的细节进行了对比与总结，可以为类似工程结构设计提供参考。

1 高桩码头抗震设计方法

地震分析方法主要有底部剪力法、振型分解反应谱法以及时程分析法等。对于高桩码头结构设计，大多采用振型分解反应谱法进行。

首先，必须明确的一点是，无论项目合同要求采用何种规范进行结构设计，比如国际通用的欧洲规范，美国规范等，抗震设计一定要基于工程所在地的抗震标准和规范进行。因为地震本身具有地域性的特征，大部分地区的抗震规范中都有适用于当地地震特征的反应谱类型以及地震惯性力的计算公式，地震惯性力的标准值计算一定是基于当地规范得出的，这样的抗震设计才是客观合理的。作用效应组合则可以结合合同要求的规范进行。

其次，在进行高桩码头抗震设计时，一定要注意以下几点：

1）抗震设防标准。不同国家和地区的抗震设防标准略有不同。中国规范[1]的抗震设防标准可以表述为“小震不坏,中震可修,大震不倒”，设计中一般仅对中震可修进行验算，采用的是50 年内超越概率10 %的地震，对应的地震重现期为475 年。

PIANC[2]规定，抗震设防标准分为level1 和level2，level1 的定义为50 年内超越概率50 %的地震，对应的地震重现期为75 年；level2 的定义为50 年内超越概率10 %的地震，对应的地震重现期为475 年。欧洲规范[3]抗震分析的两个水准为“不倒塌要求和限制破坏要求”，“不倒塌要求”是采用50 年内超越概率10 %的地震（对应的地震重现期为475 年）进行地震力的计算和结构设计；“限制破坏要求”是采用10 年内超越概率10 %的地震（对应的地震重现期为95 年），通过位移折减系数对不倒塌要求下的地震位移反应进行折减。美国规范[4]通过“最大考虑地震”和“设计地震”这两个水准来达到抗震设防目标。“最大考虑地震”为50 年内超越概率2 %的地震，对应的地震重现期为2475年；考虑到地震因地区不同而有所差异，故“设计地震”采用50 年内超越概率5 %～ 10 %的地震，其反应谱加速度为“最大考虑地震”反应谱加速度的2/3。菲律宾规范[5]中关于地震设防标准的规定，也是重现期为475 年的，50 年内超越概率10 %的地震。因此，设计人员在进行结构设计前一定要清楚项目所在地地震规范中的抗震设防标准，并进行相应的抗震设计。

2）反应谱曲线。反应谱曲线的形状一般由地震烈度、场地类别、设计地震分组、结构性能以及结构自振周期等因素决定。不同国家和地区的规范中规定的反应谱曲线不同。比如中国规范中，国标《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中规定的反应谱为α 谱，而行业标准《水运工程抗震设计规范》[6]（JTS146-2012）中规定的反应谱为β 谱，二者决定曲线形状的参数是不同的。中国抗震规范的反应谱是以地震影响系数的形式给出，且反应谱的周期最大为6 秒，对于周期大于6 秒的结构需要单独进行研究。欧洲抗震规范EC8 中给出了弹性反应谱，通过结构性能系数q 将弹性反应谱折减得到设计反应谱。美国规范、菲律宾规范以及孟加拉规范中给出的是设计加速度反应谱曲线，在结构设计过程中，将上述反应谱通过反应修正系数R 折减后得到弹塑性反应谱，而后进行地震力的计算。综上所述，抗震设计中所用的反应谱曲线一定要符合工程所在地抗震规范中的规定，这样的结构抗震设计结果才是符合实际的。

3）清楚基本地震动峰值加速度的体现方式。有的规范基本地震动峰值加速度体现在地震惯性力的公式中，有的则体现在反应谱中。比如，欧洲规范、美国规范、菲律宾规范、印尼规范以及秘鲁规范中的基本地震动峰值加速度都是体现在反应谱里，有的直接乘以基本地震动峰值加速度的数值，有的则是基于加速度而选用不同的参数；而孟加拉规范以及中国规范中的基本地震动峰值加速度，则是体现在地震惯性力的公式中，以地震影响系数的形式出现。

4）了解各规范中地震加速度是如何使用的。比如美国地震动区划图中给出的是最大考虑地震，对应的地震重现期为2475 年，按照美国规范进行抗震设计时，需要将最大考虑地震加速度反应谱乘以2/3 转化为设计地震加速度反应谱。孟加拉规范的地震公式中，需要将地震系数Z 乘以2/3，同样是转化为设计地震进行计算。

5）弄清抗震设计中是否需要乘以I/R。这里I为重要性系数，R 为反应修正系数。有些国家和地区规范中的地震力公式需要乘以I/R，比如美国规范、菲律宾规范以及孟加拉规范等。不同的规范，I/R 的取值也有所差异，这两个系数直接影响地震惯性力的计算结果。例如，对于R 的取值，美国规范为2，菲律宾规范为3.5，孟加拉规范值为3。几个规范中的重要性系数取值原则一致。欧洲规范中，虽然公式中不体现I/R，但是需要判断结构的重要性等级并选取相应的重要性系数。对于LNG码头的工作平台及管线桥等高桩结构，重要性等级一般为三级，需要考虑1.3 的重要性系数。

6）掌握与场地类型相关的系数的选取。场地是指较大范围内的工程结构所在地，为了体现场地条件对设计反应谱的影响，各国抗震规范中的反应谱都考虑了场地影响系数，不同的场地类型有不同的地震设计参数，因而反应谱的形状也不同。例如，中国规范中特征周期是由场地类型和地震分组决定的，不同的特征周期会得出不同的反应谱曲线；美国规范地震反应谱中的Fa 和Fv、菲律宾规范中的Ca 和Cv，孟加拉规范以及欧洲规范反应谱中的S 也都是对场地类型的体现。

7）掌握双向水平地震作用下的扭转耦联效应的组合方式。例如，国标中非主导方向地震力的组合系数为0.85，而欧洲规范、美国规范，孟加拉规范、菲律宾规范以及印尼规范中非主导方向地震力的组合系数均为0.3。

8）明确抗震设计时结构质量源计算中均载系数的选取。比如，美国规范中均载的系数为0.1；PIANC 中均载的系数为0.2；欧洲规范EC8 中按照荷载的准永久系数考虑，根据BS6349-1-2：2016[7]中的规定，一般件杂货和码头前沿集装箱荷载的系数为0.3，散货及液体荷载的系数为0.8；国标中均载系数为0.5，而《水运工程抗震设计规范》中均载的系数为0.7。

以上为高桩码头结构抗震设计及地震惯性力计算中涉及到的参数、反应谱及荷载系数等内容。在此基础上，还要明确荷载组合的方式。这就可以按照工程合同要求的规范进行。各国规范中对于地震工况的作用效应组合有所差异。例如，美国规范ASCE 61-14[8]中规定，地震工况不考虑系缆力，永久荷载对于拉桩和压桩的不同作用通过乘以（1±0.5PGA）的系数来体现。欧洲规范规定的地震工况中，可变作用乘以准永久系数，所以也不考虑系缆力，永久荷载对于拉桩和压桩的不同作用通过系数的不同来体现。《水运工程抗震设计规范》中地震工况考虑系缆力，并需要乘以分项系数和抗震组合系数。充分掌握上述内容后，可以进行高桩码头结构抗震设计。

2 工程实例

下面选取菲律宾某项目进行结构抗震设计，详细梳理上述设计方法。

菲律宾八打雁省某项目，水工结构采用高桩梁板式码头结构。合同规定采用美国标准。地质勘察报告中指出，工程所在区域位于地震4 区，震源类型为A 类，场地类型为SD，地震加速度为0.26g。菲律宾规范《NATIONAL STRUCTURAL CODE OF THE PHILIPPINES 2010》中规定的地震反应谱曲线中，上升段为线性公式，T/Ts=0 时，纵轴加速度为Ca；T/Ts=0.2 时，加速度为2.5Ca。平直段，加速度保持2.5Ca。曲线下降段的公式为Cv/T。根据规范规定，地震区域为4 区时，地震区域系数Z 为0.4；震源类型为A 型时，近源系数Na 和Nv 取1.0；场地类型为SD，区域系数Z 为0.4 时，Ca=0.44Na，Cv=0.64Nv，所以，Ca=0.44，Cv=0.64。曲线中Ts=Cv/2.5Ca=0.582。这样，可以得到Z=0.4 的加速度反应谱曲线，对于a=0.26 的反应谱曲线，将上述曲线按比例折减可以得到。地震力计算公式为：

式中：I 为重要性系数，R 为反应修正系数。对于本工程而言，重要性系数I 取1.0，反应修正系数R 取为3.5，根据这些参数的取值就可以计算出地震惯性力的标准值。考虑双向水平地震作用下的扭转耦联效应，菲律宾规范中非主导方向的组合系数为0.3。理清上述内容后，采用有限元软件对结构进行建模，根据合同规定的标准进行抗震作用效应组合，从而完成结构的抗震设计工作。