高樹飛，貢金鑫，馮云芬

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024； 2.聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東聊城 252059)

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國內(nèi)外高樁碼頭抗震性能和設(shè)計方法研究進展Ⅰ：震害和抗震設(shè)計方法

高樹飛1，貢金鑫1，馮云芬2

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024； 2.聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東聊城 252059)

通過對高樁碼頭震害的分析，闡明了高樁碼頭破壞的主要原因。在此基礎(chǔ)上，從高樁碼頭抗震設(shè)計方法、樁-土相互作用、斜樁和樁-上部結(jié)構(gòu)連接的抗震性能等方面，論述了國內(nèi)外高樁碼頭抗震研究的進展，總結(jié)了這些研究成果在高樁碼頭抗震設(shè)計規(guī)范中的應(yīng)用，指出了高樁碼頭抗震性能研究的不足及需要深入研究的問題。對國內(nèi)如何吸收國外高樁碼頭抗震的研究成果及抗震設(shè)計規(guī)范的修訂方向提出了建議。該系列論文分為3部分，此為第1部分，主要介紹了高樁碼頭的震害和破壞形式以及高樁碼頭的抗震設(shè)計方法。分析表明，基于位移的設(shè)計方法是國外高樁碼頭抗震設(shè)計的主要發(fā)展方向，我國應(yīng)開展相關(guān)研究，將基于力的抗震設(shè)計規(guī)范修訂為基于位移的抗震設(shè)計規(guī)范。

高樁碼頭; 震害； 破壞形式； 抗震設(shè)計方法

港口作為水陸聯(lián)運的樞紐，對區(qū)域和國家的經(jīng)濟具有舉足輕重的影響。碼頭作為重要的港口設(shè)施之一，對于維持港口的正常運營必不可少。碼頭結(jié)構(gòu)除承受其自身重力、堆貨荷載、起重運輸機械荷載、船舶荷載、波浪力等荷載外，對于處于地震區(qū)的碼頭，還要遭受地震作用。國內(nèi)外近年來的港口工程震害表明，碼頭結(jié)構(gòu)在地震作用下易于遭到破壞，并會帶來極大的直接和間接經(jīng)濟損失，如1995年的Hyogoken-Nanbu地震，造成神戶港的維修費用高達55億美元，且由于地震引起的港口運營中斷僅在1年內(nèi)就造成60億美元的間接經(jīng)濟損失[1]，因而研究碼頭結(jié)構(gòu)的抗震性能對于減輕地震損失具有重要意義。

高樁碼頭作為重要的碼頭結(jié)構(gòu)型式之一，具有對波浪反射小、泊穩(wěn)條件較好、對挖泥超深的適應(yīng)性強和砂石料用料少等特點，并且特別適用于軟土地基，因而在港口工程中得到廣泛應(yīng)用。目前，我國的高樁碼頭抗震設(shè)計主要是基于《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTS 146-2012)[2]。該規(guī)范采用基于力的設(shè)計方法，而國外的主流標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已采用基于位移的抗震設(shè)計方法[3]，相對于基于位移的方法，基于力的方法存在諸多不足之處，如無法反映結(jié)構(gòu)達到承載力之前和之后的性能。而且，我國規(guī)范仍采用單一的設(shè)防水準(zhǔn)，未體現(xiàn)基于性能的抗震設(shè)計理念。另外在抗震概念設(shè)計和構(gòu)造措施上也存在嚴(yán)重不足，比如我國規(guī)范仍規(guī)定在樁基布置中適當(dāng)增加叉樁，而國外標(biāo)準(zhǔn)[4-7]禁止或限制叉樁的使用，或采用基于位移的設(shè)計方法進行叉樁的設(shè)計。

我國高樁碼頭抗震研究始于1976年唐山大地震后，在地震后的數(shù)十年間開展了大量理論和試驗研究，而隨著時間推移，由于我國沿海地區(qū)再未發(fā)生過破壞性地震，高樁碼頭抗震研究基本停滯不前。隨著我國港口工程企業(yè)逐步向海外發(fā)展，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)之間存在巨大差異和不足，而國外很多港口都位于強震區(qū)，對此提出了與國外標(biāo)準(zhǔn)進行對接研究的課題，以期為國內(nèi)企業(yè)開拓國外市場提供技術(shù)支持。另外，世界范圍內(nèi)地震活動日益增強，我國沿海地區(qū)未來發(fā)生破壞性地震的可能性日漸增大，有必要深入開展高樁碼頭抗震研究。因此，本文在對高樁碼頭震害進行分析的基礎(chǔ)上，通過參考大量相關(guān)文獻的研究，詳述了國內(nèi)外高樁碼頭抗震研究的進展(主要是中國和美國的研究，部分涉及日本)，并指出存在的不足和今后需深入研究的問題，為國內(nèi)高樁碼頭抗震設(shè)計方法的改進和規(guī)范的修訂提供參考。

1 高樁碼頭震害和破壞形式

與板樁碼頭和重力式碼頭不同，高樁碼頭的上部結(jié)構(gòu)暴露在泥面以上，重心在面板所在平面，因此，高樁碼頭的地震破壞主要發(fā)生在下部樁基。下面是國內(nèi)外幾次重大地震中高樁碼頭的典型震害。

1976年唐山地震使天津新港高樁碼頭遭受不同程度的破壞。天津新港的主要碼頭結(jié)構(gòu)型式為梁板式，在排架中設(shè)置一對叉樁，原地面至-5 m為回填土，-13 m以上為褐灰色黏土。地震造成大量叉樁斷裂、樁帽開裂和面板露筋，不同泊位叉樁的受損程度不同，最多的出現(xiàn)高達70%的叉樁開裂，結(jié)構(gòu)震害主要是由上部結(jié)構(gòu)受到的地震慣性力引起的。部分碼頭的后板樁斜支撐樁結(jié)岸結(jié)構(gòu)發(fā)生板樁撓曲傾斜，斜支撐樁約有95%發(fā)生不同程度的損壞，受壓樁劈裂，受拉樁出現(xiàn)1～3條裂縫。碼頭出現(xiàn)沉降，最大達7.2 cm，并且部分碼頭出現(xiàn)近百處噴砂現(xiàn)象[8]。

圖1 奧克蘭港第七街碼頭斷面Fig.1 Cross-section schematic of 7th Street terminal wharf in port of Oakland

1989年的美國Loma Prieta地震給奧克蘭港的第七街碼頭造成了嚴(yán)重破壞，碼頭斷面如圖1所示。地震面波震級為7.1級，峰值地面加速度為0.25～0.30 g。地震中回填砂的液化導(dǎo)致碼頭大面積沉降和側(cè)向擴展，最大沉降約1ft(0.3 m)，內(nèi)側(cè)門機軌道由于支撐在填料上而發(fā)生破壞。內(nèi)側(cè)斜樁破壞，主要為受拉破壞，部分為剪切和受壓破壞[9]。該碼頭樁基的破壞可以視為在軟土地基中使用叉樁抵抗水平運動而發(fā)生破壞的典型案例，叉樁在碼頭中為剛性最大的部件，在地震中出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中。內(nèi)側(cè)斜樁的受拉破壞主要由回填土液化和相關(guān)的側(cè)向擴展引起的回填土海側(cè)運動造成的。

圖2 San Fernando港的政府1號碼頭斷面Fig.2 Cross-section schematic of government pier No.1 in port of San Fernando

1990年的菲律賓Luzon地震造成San Fernando港的政府1號碼頭發(fā)生破壞，碼頭斷面如圖2所示，此次地震面波震級為7.8級。地震中由于樁入土部分的變形造成較大的碼頭海側(cè)位移，碼頭面板出現(xiàn)大量裂縫，最大寬度達0.7 m；樁帽亦發(fā)生開裂，并出現(xiàn)縱筋彎曲和剪斷。碼頭破壞主要由地基土側(cè)向變形引起[9]。

1994年的美國Northridge地震造成洛杉磯港的APL碼頭發(fā)生破壞，地震面波震級為6.8級。APL 碼頭127號泊位的斷面圖見圖3(a)，地震造成斜樁和樁帽脫離。圖3(b)為126號泊位的斷面，地震造成陸側(cè)樁樁帽出現(xiàn)細微裂縫，回填土出現(xiàn)液化；另外，伸縮縫處出現(xiàn)8 cm的相對位移，并造成門機軌道損壞，碼頭最大水平位移約0.1 m[9]。兩個泊位采用的樁型相同，不同之處只在于是否設(shè)置叉樁，設(shè)置叉樁的碼頭結(jié)構(gòu)破壞較為嚴(yán)重。

1995年的日本Hyogoken-Nanbu地震造成日本神戶港Takahama碼頭發(fā)生破壞，地震震級7.2級(里氏震級)，峰值地面加速度(PGA)為0.53 g。碼頭斷面圖如圖4所示，混凝土面板支承在3根鋼管樁上，樁徑為700 mm，從海側(cè)到陸側(cè)壁厚分別為10，12和14 mm，樁穿過砂土層進入由礫石和更新世黏土組成的持力層。在樁帽和樁入土部分均發(fā)現(xiàn)鋼樁發(fā)生了屈曲，破壞與沖積砂土的大變形有關(guān)[9]。圖5[9]為震后調(diào)查中取出的鋼管樁，可見發(fā)生了屈曲破壞。

圖3 洛杉磯港APL碼頭斷面Fig.3 Cross-section schematic of APL terminal in port of Los Angeles

圖4 Takahama碼頭斷面Fig.4 Cross-section schematic of Takahama wharf

圖5 Takahama碼頭的樁基破壞Fig.5 Failure of piles at Takahama wharf

造成高樁碼頭變形/破壞的主要原因是地震引起的上部結(jié)構(gòu)慣性力和軟弱地基土的變形以及擋土結(jié)構(gòu)對上部結(jié)構(gòu)的水平力。對于建在堅硬地基土上并有穩(wěn)定岸坡的高樁碼頭，上部結(jié)構(gòu)的慣性力是造成結(jié)構(gòu)破壞的主要原因[9]，樁身最大彎矩出現(xiàn)在陸側(cè)樁的頂部，如圖6(a)所示；如果岸坡頂部或擋土墻頂部的變形過大，碼頭上部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)較大的海側(cè)位移，如圖6(b)所示；對于建造在軟弱地基土上的高樁碼頭，岸坡變形會直接引起樁的海側(cè)變形，如圖6(c)所示。在傳統(tǒng)的基于力的高樁碼頭設(shè)計方法中，對第一種破壞模式的考慮較為完善，而對其他模式的關(guān)注不夠。

圖6 高樁碼頭變形/破壞模式Fig.6 Deformation/failure modes of pile-supported wharves

歸納來講，高樁碼頭上部結(jié)構(gòu)主要受水平地震慣性力作用，而且其剛度、強度相對樁基較大，震害相對較輕，主要為水平振動引起的樁臺碰撞、錯動、擠壓及扭轉(zhuǎn)，并且在前方和后方樁臺的伸縮縫處以及相鄰結(jié)構(gòu)段分縫處的面板和路面混凝土損壞較普遍。另外，由于上部結(jié)構(gòu)的破壞造成門機軌道的損壞，以及上部結(jié)構(gòu)的振動造成的門機破壞亦較為常見。高樁碼頭的震害主要集中在下部樁基礎(chǔ)上，主要破壞形式為樁-土相互作用(地基土液化和軟硬土層變化)引起的樁身變形過大、叉樁破壞、樁-上部結(jié)構(gòu)連接破壞、回填土液化、擋土結(jié)構(gòu)破壞以及岸坡失穩(wěn)等。

2 抗震分析和設(shè)計方法

2.1 基于力與基于位移的抗震設(shè)計方法

傳統(tǒng)的基于力的設(shè)計方法主要關(guān)注結(jié)構(gòu)安全，但無法有效控制地震對碼頭的損壞程度及造成的損失，而基于性能的抗震設(shè)計方法通過控制結(jié)構(gòu)在設(shè)計地震下的破壞水平實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的性能目標(biāo)。對于高樁碼頭而言，地震破壞造成的主要損失不是碼頭的結(jié)構(gòu)成本，而是碼頭破壞造成的港口運營中斷。另一方面，基于力的抗震設(shè)計方法通常采用單一水準(zhǔn)設(shè)防，利用等效地震力進行結(jié)構(gòu)極限承載力設(shè)計，而基于性能的設(shè)計方法采用不同水準(zhǔn)的設(shè)計地震，并針對不同水準(zhǔn)采用不同的性能目標(biāo)。由于在反映結(jié)構(gòu)抗震性能的諸多指標(biāo)(力、變形/位移、速度、加速度、損傷和能量等)中，變形/位移與結(jié)構(gòu)損傷密切相關(guān)，可以與以應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的極限損傷狀態(tài)緊密結(jié)合在一起，再加上工程人員對變形/位移較為熟悉，易于接受，因而采用變形/位移對結(jié)構(gòu)性能進行控制，即基于位移的抗震設(shè)計方法[10]。

圖7 POLB中的抗震分析流程Fig.7 Flow diagram for seismic analysis of POLB

美國奧克蘭港首先在20世紀(jì)90年代末使用基于位移的設(shè)計方法，采用3個水準(zhǔn)的設(shè)計地震，并針對每一水準(zhǔn)規(guī)定了相應(yīng)的性能目標(biāo)。基本在同一時期，美國長灘港和洛杉磯港也開始使用基于位移的抗震設(shè)計方法，隨后加州土地委員會(California State Lands Commission)針對加州的油碼頭也按照基于位移的抗震設(shè)計方法編制了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[1，3]。經(jīng)過多年的發(fā)展，長灘港和洛杉磯港采用的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)分別為《長灘港碼頭設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(簡稱POLB)[4]和《洛杉磯港集裝箱碼頭抗震設(shè)計、升級和維修規(guī)范》(簡稱POLA)[5]，而加州土地委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)為《海洋油碼頭工程和維護標(biāo)準(zhǔn)》(簡稱MOTEMS)[6]，美國其他港口一般參照這幾種標(biāo)準(zhǔn)進行高樁碼頭抗震設(shè)計。為改變美國高樁碼頭抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的狀況，美國土木工程師協(xié)會在前述幾種標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上于2014年頒布了《順岸式和突堤式高樁碼頭抗震設(shè)計》(ASCE/COPRI 61-14)[7]，該標(biāo)準(zhǔn)同時采用了基于力和基于位移的抗震設(shè)計方法，規(guī)定基于位移的方法適用于所有設(shè)計類別的結(jié)構(gòu)(設(shè)計類別根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性確定)，而基于力的設(shè)計方法只允許用于設(shè)計類別為“低”的結(jié)構(gòu)。在國際上，國際航運協(xié)會在2001年頒布的《港口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計指南》(簡稱PIANC)[9]和日本港灣協(xié)會在2007年頒布的《港灣設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與解說》[11]就是基于性能的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?！陡蹫吃O(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與解說》雖然采用了基于性能的抗震設(shè)計理念，但仍然對樁基進行抗彎承載力驗算，這與中國規(guī)范類似。

在上述美國標(biāo)準(zhǔn)中，基于位移的抗震設(shè)計方法要求給出結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計水準(zhǔn)地震下結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)(位移需求)，以及結(jié)構(gòu)在不同材料應(yīng)變水平下的位移能力，并通過比較位移需求與位移能力驗算結(jié)構(gòu)的抗震性能是否滿足要求。圖7為POLB中的抗震分析流程圖，其他標(biāo)準(zhǔn)與之類似，圖7中Δt為碼頭的橫向位移需求，Δd為碼頭的總位移需求，fDM為動力放大系數(shù)，Δc為位移能力。由圖7可以看出，進行基于位移的抗震設(shè)計之前，首先應(yīng)完成使用荷載下的靜力設(shè)計，再計算每一地震水準(zhǔn)下的位移需求和位移能力，確定位移能力是否大于位移需求。對于高樁碼頭而言，由于其上部結(jié)構(gòu)一般為整體連續(xù)結(jié)構(gòu)，剛度較大，而且上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量占整個碼頭結(jié)構(gòu)質(zhì)量的絕大部分，故在抗震計算中一般是取一個排架及其上部結(jié)構(gòu)按平面問題求解，并將其視為單自由度體系。

圖8 Pushover分析模型示例Fig.8 An illustrative model for pushover analysis

2.2 位移能力

在基于位移的高樁碼頭抗震設(shè)計方法中，位移能力(Displacement Capacity)為在不超過材料應(yīng)變限值的情況下的面板最大水平位移，一般使用非線性靜力Pushover分析或非線性時程分析法確定，標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法為二維非線性靜力Pushover分析，并允許使用三維分析，但不是必須的[7]。Pushover分析中采用非線性Winkler地基上的梁模型模擬碼頭結(jié)構(gòu)，如圖8所示，土體用土彈簧代替，彈簧一端與樁節(jié)點連接，另一端固定，土彈簧的非線性由p-y曲線模擬；樁的非線性一般由塑性鉸模擬，在分析中通過監(jiān)控塑性鉸的彎矩-轉(zhuǎn)角變化，再根據(jù)截面彎矩-曲率分析及塑性鉸長度獲取材料的應(yīng)變變化，進而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)變限值確定不同地震水準(zhǔn)下碼頭的位移能力。

塑性鉸材料應(yīng)變限值實質(zhì)上反映的是結(jié)構(gòu)破壞程度，在基于位移的抗震設(shè)計方法中是通過控制材料的應(yīng)變實現(xiàn)要求的性能目標(biāo)的。不同標(biāo)準(zhǔn)給出的應(yīng)變限值不同，反映了不同標(biāo)準(zhǔn)的性能目標(biāo)并不相同。另外，不同標(biāo)準(zhǔn)給出的塑性鉸計算長度計算方法亦不相同，而且均未給出土內(nèi)塑性鉸深度的計算式。土內(nèi)塑性鉸長度和深度不僅對于確定位移能力有較大影響，而且影響位移需求的確定。POLA和POLB給出的樁頂塑性鉸計算公式未考慮樁徑的影響，ASCE/COPRI 61-14則根據(jù)樁-上部結(jié)構(gòu)連接形式的不同給出不同的塑性鉸計算公式，對于土內(nèi)鉸長度，3種標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定為2倍樁徑，不考慮土體特性和樁身材料的影響，特別是土體特性，隨著土塑性的發(fā)展，塑性鉸的位置和長度均會發(fā)生變化。MOTEMS采用的塑性鉸長度計算公式來自文獻[12]，但文獻[12]確定塑性鉸長度時考慮的樁型并不是港口工程的常用樁型，而且MOTEMS未給出鋼管樁的塑性鉸長度確定方法。有學(xué)者[13]針對標(biāo)準(zhǔn)中給出的塑性鉸長度存在的問題，利用纖維模型確定了塑性鉸長度并同標(biāo)準(zhǔn)給出的長度進行了對比，但并未給出相應(yīng)的計算公式。

塑性鉸長度作為確定位移能力和位移需求的重要參數(shù)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)給出的計算式存在前述諸多不足，仍需進一步深入研究。另外，可通過采用分布塑性鉸模型[14]代替集中塑性鉸模型進而回避塑性鉸長度的計算，該模型在可能出現(xiàn)塑性鉸的位置設(shè)置多個塑性鉸，塑性鉸的長度取為塑性鉸間距，但這無疑會增加計算量，仍需進一步研究予以完善。再者，國外規(guī)范普遍采用材料極限應(yīng)變定義結(jié)構(gòu)的破壞，而目前港口工程中普遍使用的商業(yè)軟件并不能方便地提供此類數(shù)據(jù)，故有必要開展研究以尋求其他較為簡便易用的定義結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)的指標(biāo)。

2.3 位移需求

在基于位移的抗震設(shè)計中，需要確定每一地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的最大位移，即位移需求(Displacement Demand)。常用的方法有振型分解反應(yīng)譜法、非線性靜力需求分析和非線性時程分析等。由于振型分解反應(yīng)譜法是一種彈性分析方法，所以在結(jié)構(gòu)屈服之后不能再使用，或者在分析中使用割線剛度而不再使用初始剛度[7]。在結(jié)構(gòu)屈服之后，通常采用非線性靜力需求分析方法(Pushover分析)，在碼頭抗震標(biāo)準(zhǔn)中常用的是替代結(jié)構(gòu)法，即用一個等效單自由度體系代替原有結(jié)構(gòu)，等效體系的周期采用割線剛度計算，體系的耗能用等效黏滯阻尼表征。很顯然采用不同等效阻尼比計算公式，得到的需求位移會有很大不同，在此法中需求位移的求解是一個迭代過程。

POLB和POLA采用的等效阻尼比的滯回阻尼部分是D.N.Grant等[15]利用時程分析得到的，而MOTEMS和ASCE/COPRI 61-14采用的等效阻尼比計算公式是M.J.Kowalsky[16]基于Takeda滯回模型提出的公式。研究[17]表明，同一地震水準(zhǔn)并采用相同反應(yīng)譜的情況下，由MOTEMS和ASCE/COPRI 61-14采用的等效阻尼比計算公式得到的需求位移較大。由于不同標(biāo)準(zhǔn)采用的等效阻尼比計算式并非專門針對高樁碼頭確定的，都存在一定不足，并不能反映高樁碼頭體系的結(jié)構(gòu)特點和土體對體系耗能的貢獻，因而有必要采用合理的方法確定高樁碼頭體系的等效阻尼比。高樹飛等[18]將高樁碼頭體系的滯回耗能分為樁基塑性鉸耗能和土體土彈簧耗能兩部分，根據(jù)一個振動循環(huán)內(nèi)“替代結(jié)構(gòu)”的等效黏滯阻尼與高樁碼頭體系樁基塑性鉸耗能和土彈簧耗能之和相等的原則確定了體系的等效阻尼比，其提出的等效阻尼比計算公式可以適用于不同樁型和土體類型。

表1 POLB中的動力放大系數(shù)fDM

Tab.1 Dynamic magnification factorfDMfor POLB

地震水平土彈簧(p-y曲線)fDM獨立碼頭段端部結(jié)構(gòu)段中部結(jié)構(gòu)段OLECLE/DE上限/下限1.80-0.05LL/B≥1.101.55-0.04LL/B≥1.10上限1.65-0.05LL/B≥1.101.35-0.02LL/B≥1.10下限1.50-0.05LL/B≥1.101.16-0.02LL/B≥1.101.10注:①LL為最短端部碼頭段長度;B為碼頭段寬度。②土彈簧的上下限規(guī)定可參看文獻[4]。

替代結(jié)構(gòu)法通常用于分析一個排架，即是一種單振型、單方向的計算方法，無法考慮地震中碼頭縱向和橫向同時激勵的情況、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及相鄰碼頭段間的相互作用，因而在計算中通過一個動力放大系數(shù)fDM將排架的橫向位移需求轉(zhuǎn)化為總的位移需求。表1為POLB和POLA采用的動力放大系數(shù)，式(1)為MOTEMS和ASCE/COPRI 61-14采用的動力放大系數(shù)。

(1)

式中：e為剛度中心和質(zhì)量中心的偏心距。

式(1)來源于文獻[19]，表1中的fDM則取自文獻[20]，前者是通過理論推導(dǎo)得到的，后者是通過時程分析得到的，但由于采用的碼頭計算模型不同，得到的經(jīng)驗計算式亦不相同。很顯然，采用不同公式計算fDM，得到的計算結(jié)果也會不同。時程分析由于計算結(jié)果離散性大，易于受到選取的地震動的影響，在需求位移確定中只是一種補充方法，POLB規(guī)定必須在管理部門同意下方可使用。

2.4 延性設(shè)計

在高樁碼頭抗震設(shè)計中，碼頭應(yīng)設(shè)計為延性體系。在高樁碼頭中樁為延性構(gòu)件，而梁板則為能力保護構(gòu)件，允許樁內(nèi)出現(xiàn)塑性鉸，而梁板內(nèi)不出現(xiàn)塑性鉸，即“強梁弱柱(樁)”[4]。為此，樁中剪力及梁板彎矩均按能力保護的原則確定，通過采用值為1.25的超強系數(shù)實現(xiàn)[4,7]。之所以將樁作為延性構(gòu)件，是因為樁的維修較為容易且成本較低，而且由于碼頭承受的豎向荷載較大，如門機荷載、流動運輸機械荷載和堆貨荷載等，造成上部結(jié)構(gòu)的剛度較大，另外樁的損壞對碼頭運營影響較小。從高樁碼頭震后恢復(fù)運營和修復(fù)的角度看，建議高樁碼頭抗震設(shè)計中應(yīng)考慮出現(xiàn)破壞的部位依次為樁帽、樁頂和樁入土部分。

3 結(jié) 語

采用基于位移的高樁碼頭抗震設(shè)計方法已經(jīng)成為一種趨勢，相關(guān)的理論已經(jīng)較為完善。由于國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)變限值以及塑性鉸長度均是針對國外的材料、樁型和節(jié)點形式經(jīng)試驗或理論研究后確定的，若將其直接引入我國的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中未必合適，故應(yīng)開展相應(yīng)的研究以確定適合于我國高樁碼頭的材料應(yīng)變限值和塑性鉸長度計算方法，為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供參考。

雖然采用替代結(jié)構(gòu)法確定高樁碼頭的需求位移已經(jīng)為不同標(biāo)準(zhǔn)采納，但由于不同等效阻尼比模型對計算結(jié)果的影響較大，容易讓設(shè)計人員無所適從，無法對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性有足夠的判斷，雖然文獻[18]提出的公式較為合理，但計算過程較為復(fù)雜，因而高樁碼頭體系的等效阻尼比仍需進一步深入研究。由于替代結(jié)構(gòu)法只能確定碼頭橫向位移，仍需一個動力放大系數(shù)來考慮多向加載的影響，而不同動力放大系數(shù)計算式得到的計算結(jié)果又不同，因而對于動力放大系數(shù)的適用性仍需進一步探討，可考慮采用三維Pushover分析法進行相關(guān)研究。此外，替代結(jié)構(gòu)法無法考慮地震動的不確定性，而時程分析固然可以克服這一缺陷，但該方法計算較為復(fù)雜且計算量大，故有必要探求一種新的地震位移需求的簡便計算方法。

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Advances in research on seismic performance and design methods for pile-supported wharves Part Ⅰ：Earthquake damage and seismic design methods

GAO Shu-fei1，GONG Jin-xin1，F(xiàn)ENG Yun-fen2

(1.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China; 2.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,LiaochengUniversity,Liaocheng252059,China)

The main damage reasons resulting in poor seismic performance of the high-pile-supported wharves are clarified by examining extensive documented case histories of the damaged pile-supported wharves.The state of the art of the research on the pile-supported wharves,from the aspects of the seismic design methods,soil-pile interaction,seismic performance of the batter piles and the pile-deck connections,is presented,and the application of the findings from the seismic design codes for the pile-supported wharves is summarized,and the deficiencies in the studies and the problems need to be further studied are pointed out in this paper.Some suggestions are made as to how to absorb foreign research results about the seismic research on the high-pile-supported wharves and revise the seismic design codes for the pile-supported wharves.This paper is the first part of a series of papers,which mainly presents the earthquake damage,failure behavior of the pile-supported wharves and seismic design methods for the pile-supported wharves.Research results show that the design method based on displacement is the main development direction of the seismic design for the pile-supported wharves abroad,therefore,our country should carry out related seismic researches and revise the seismic design codes for the pile-supported wharves from that based on the force to that based on the displacement.

pile-supported wharves; earthquake disasters; failure modes; seismic design methods

10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.06.001

高樹飛，貢金鑫，馮云芬.國內(nèi)外高樁碼頭抗震性能和設(shè)計方法研究進展 I：震害和抗震設(shè)計方法[J].水利水運工程學(xué)報,2016(6):1-8.(GAO Shu-fei,GONG Jin-xin,FENG Yun-fen.Advances in research on seismic performance and design methods for pile-supported wharves Part I :Earthquake damage and seismic design methods[J].Hydro-Science and Engineering,2016(6):1-8.)

2015-07-16

交通運輸部項目“強震區(qū)港口工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究”(JTSBD 2013 02 130)

高樹飛(1989—)，男，安徽蚌埠人，博士研究生，主要從事港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與抗震研究。 E-mail:gaosf1989@qq.com

U656.1+13

A

1009-640X(2016)06-0001-08