基于国外抗震规范全直桩码头抗震设计研究

1、基于国外抗震规范全直桩码头抗震设计研究基于国外抗震规范全直桩码头抗震设计研究杨铭元 1，刘营营 2 （1. 中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230 ；2.广州市珠江堤防管理处， 广东 广州 510640 ） 摘要：随着国际竞争力的增强，建立一套适合境外码头抗震 设计方法是十分必要的，以土耳其某全直桩码头结构为研究 对象，结合土耳其抗震设计规范、 美国码头结构抗震规范 （美 标）及欧洲规范 8：结构抗震设计（欧标）等抗震规范，重点介绍了码头结构抗震设计方法及技术细节， 同时采用 SAP2000 有限元软件对结构进行抗震计算分析。设计流程可为海外港工结构抗震设计提供参考。关键

2、词：全直桩码头；土耳其抗震规范；美标；欧标；设计方法 引 言 随着企业 海外业务的发展，位于高震区的港口工程项目也逐渐增多， 为全面与国际设计规范接轨，探索学习国外不同高震区抗震 计算方法刻不容缓。结合工程实际，一般高震区码头位移为 控制因素，结构强度反而较易满足设计要求。本文主要结合 土耳其海港结构抗震规范、美国码头结构抗震规范（美标） 及欧洲规范 8 ：结构抗震设计（欧标）等对境外某全直桩码头结构进行抗震位移分析，计算过程及结果可供海外项目工程设计时参考。1 国际常用海港结构抗震规范 国际通用的结构抗震计算原则是，先根据结构型式、场地类别、抗震等进行评估。级等对结构基岩地面反应谱曲线进行折

3、减，然后对结构性能1.1 土耳其海港结构抗震计算准则 1 强震区位移计算是码头等港口设计的重点和难点，本文位移控制采用土耳其抗震规范中公式：式中：Sj为结构设计位移；p为位移折减系数(P =1,若RW 1.5 ; p =2/3，其它；R为结构性能系数；为计算得到的桩顶位移。同时满足S j/hkj即MD结构相对位移不超过位移限制，如表 1 所示， hkj 为桩顶到 嵌固点的距离。 表 1 码头容许相对位移值桩基性能等级(Level 1)CD (Level 2) 直桩 0.00 8 0.01 5 斜桩 0.00 5 0.01 0 根据规范计算弹性地震荷载工况时，应该对加速度反应谱 进行折减Ra，当

4、RW 1.5 ,Ra=R ;当R 1.5时，Ra取值按照下式进行： 其中性能系数 R 参见表 2。 表 2 码头性能 系数 R 取值结构型式 桩基 MD (Level 1) CD (Level 2) 性能 等级顺岸式码头 斜桩 1.0 1.5 直桩 2.5 4.0 凸堤式码头 斜2 美国桩 1.0 1.5 直桩 1.5 2.5 1.2 美国码头结构抗震设计 土木工程师协会提出了有关码头结构地震内力及位移的计算公式，但没有土耳其规范那么详细，基本原理相同，地震基底剪力公式如下：式中： V 为地震基底剪力； CS 为地震反应系数； SDS 为设计加速度反应谱； R 为结构性能系数；Ie 为结构重要

5、性系数。 相应的码头位移计算公式为：中：Sj为结构设计位移;Cd为位移修正系数；为计算得到的桩顶位移。 性能系数及位移修正系数参见表3。 表 3 R及 Cd 取值桩基型式 R Cd 预应力混凝土桩（直桩） 2 2 钢 管桩（直桩） 2 2 叉桩 1 1 1.3 欧洲规范 3 欧标没有码头 专用的抗震设计准则，但对不同结构提出通用的地震性能系 数的计算公式如下： 式中： R0 为性能系数基本值，取决于结构体系的类型和竖向规则性，见表 4 所示； Kw 为反应结构体系的主要失效模式的系数，对于框架结构，Kw=1.0 。表 4 性能系数 R0 基本值注：对于码头结构而言，属于框架 体系单层结构，此时

6、 au/a1=1.1 。结构类型 DCM （中等延 性）DCH （高延性）框架、双重及联肢墙体系3.0au/a14.5au/a1 非联肢墙体系 3.0 4.0au/a1 扭转体系2.0 3.0 倒摆体系 1.5 2.0 2 工程实例 2.1 工程概况 本文采用土耳其某凸堤式全直桩码头结构段，其结构断面如图1所示。图 1 码头结构断面示意 结构段长 70.0 m ，排架间距6.0 m ，宽 15.0 m ，面板厚 0.5 m ，码头面高程 3.00 m ，设 计码头前沿底高程 -7.75 m ；桩基采用 PHC 桩（外径 1 000 mm，厚130 mm ）,底高程-30.00 m ;横梁截面尺

7、寸 bx h=1.6 mx 2.2 m ,纵梁 b x h=0.6 m x 1.8 m 混凝土强度等级 C35/45除 PHC 桩采用 C80 ）。建造场地内场地土分 2 层，分别为 软土和密实砂层。业主提供 50 a 超越越概率 50 % ，重现期72 a （即Level 1 ）和50 a超越越概率10 %，重现期475 a即 Level 2 ）对应的基岩地面反应谱曲线， 如图 2 所示2 码头基岩反应谱曲线2.2 计算模型 计算模型选取全直桩码头前方桩台 1 个结构段，利用有限元软件 SAP 2000 进行 数值分析，由多段线性塑性连接单元来模拟非线性桩土作用。模型中采用框架 （ FRAM

8、E ）单元模拟桩和梁， 用壳（ SHELL ） 单元模拟码头面层。纵横梁通过截面偏置模拟梁和面板的实 际位置，PHC桩与桩帽、横梁之间以及梁节点之间采用刚结。桩土水平相互作用根据 API-RP2A-WSD4 采用 P-y 曲线，在数值模拟时设置桩底部为固结。混凝土采用 Mander 模型5 。码头断面计算模型见图3 所示。图 3 码头结构断面计算模型 3 抗震位移计算分析 分别根据土耳其抗震规范、美 标及欧标，结合本工程码头结构型式，分别对基岩场地反应 谱曲线进行性能曲线折减 R ，其中欧标选择中等延性单层框 架体系，对应的性能系数 R 取 3.3 ，得到的各设计加速度反采用以上应谱曲线如图

9、4 所示。 图 4 码头设计反应谱曲线 转化反应谱曲线分别对码头结构进行振型分解反应谱分析， 得到的不同地震等级下码头位移计算结果如表 5 所示。经分析计算，土耳其抗震计算位移值较美标及欧标偏小，而美标及欧标计算结果基本相同。表 5 码头地震位移计算结果不同规范地震等级 j/m R S j/m S 土耳其 Level 2 0.06 1美标4.0 0.16 3 0.00 92 Level 1 0.07 3 2.0 0.14 6 0.00 82Level 2 0.12 1 2.0 0.24 2 0.01 36 Level 1 0.04 4 3.3 0.14 6 0.00 82 欧标 Level 2

10、 0.07 3 3.3 0.24 1 0.01 35 Level 1 0.05 9 2.5 0.09 8 0.00 55 基于土耳其位移控制标准进行评估分析，土耳其抗震计算 Level 1 得到的位移为 0.09 8 m ，相对位移仍有31.25 %的富余；Level 2得到的位移为0.16 3m ,相对位移仍有 38.67 %的富余； 而美标及欧标计算 Level1 得到的位移为 0.14 6 m ，没有富余量； Level 2 得到的位移为 0.24 2 m ，相对位移仅有9.3 % 的富余。相对于结构而言，土耳其抗震计算结果偏危险，美标及欧标偏保守。4 结语随着国际竞争力的增强，掌握不同

11、国家的抗震设计标准是非 常必要的，本文通过理论结合实际工程，针对土耳其海港结 构抗震规范、美国码头结构抗震规范及欧洲规范分析了结构 抗震设计，探索并总结了一套境外码头结构抗震设计的一般 流程： 1 ）参考工程项目地的抗震设计规范，建立合适的抗震设计标准； 2 ）确定合适的加速度反应谱曲线；3）通过计算评估结构的抗震能力； 4）最终对设计结果进行抗震性能优化。 通过实际工程比较分析，土耳其抗震位移值较美标 及欧标偏小，而美标及欧标位移值基本相同。土耳其抗震位 移值偏危险， 美标及欧标偏保守。 参考文献： 1 Ministry ofTransportation of Turkey. Technic

12、al Seismic Regulation onConstruction of Coastal and Harbor Structures, Railways and Airports S. 2 American Society of Civil Engineers.Seismic Design of Piers and WharvesS. 3 Eurocode 8Design of structures for earthquake resistance- Part 1General rules, seismic actions and rules for buildingsS. 4API

13、RP 2A-WSD. Recommended Practice for Planning,Design and Constructing Fixed Offshore Platforms -Working Stress DesignS. 5 Mander J B, Priestly M J N,Park R. Theoretical stress-strain model for confined concreteJ. Journal of Structural Engineering, ASCE, 1988, 114(8) ： 1804-1826. Aseismic Design of Al

14、l-vertical-piledWharf Based on Foreign Earthquake Code YangMingyuan1, Liu Yingying2 (1.CCCC-FHDI Engineering Co., Ltd., GuangzhouGuangdong 510230, China; 2.Management Office of PearlRiver in Guangzhou, Guangzhou Guangdong 510640,China) Abstract ： It is necessary to set up a seismic design process, p

15、articularly applicable with overseas wharf seismic design methods, with the augmentation of the international competitiveness. This article is focused on introducing the seismic design methods and related technological details based on Turkish earthquake code,ASCE standard and European standard with an all-vertical-piled wharf in turkey. The seismic calculation analysis is carried out on the structure by SAP 2000. The design flow may serve as reference for the seismic design of marine structure of overseas projects. Key words中图分类all-