摘要：码头是港口的主要组成建筑，也是反应港口规模的标致性建筑。由于当前很多沿海城市都处于“环太平洋地震带”中，所以抗震能力历来是沿海国家建造港口码头的重要考虑点。本文介绍了高桩码头的抗震设计要点，并利用相关模拟软件进行分析，得出的结果可以为相关设计提供一定的技术参考。
关键词：高桩码头；抗震结构设计；要点
Abstract：the terminal is the main port of the building，but also the response of the scale of the construction of the port scale.Because many coastal cities are now in the "Central Pacific seismic zone"，so the seismic capacity of the coastal countries have always been the important considerations of the construction of the port terminal.This paper introduces the main points of the seismic design of high pile wharf，and the results can provide some technical reference for the related design.
Key words：high pile wharf；seismic design；key points
引言：
随着我国经济的快速发展，货物的进出口对河运、海运的依赖度日益提高。港口码头，作为水上运输交通枢纽，直接关系国家的对外贸易以及经济发展。然而，在我国地震多发地区如环渤海、东南沿海和台湾地区，地震已列入港口破坏威胁的首要因素。因此，最大程度上降低地震对港口码头建筑物的破坏，以及尽可能降低由此引发的直接或间接经济损失，已成为港口工程建设中核心课题。
二、高桩码头的特点及结构形式
高桩码头主要由基桩和上部结构组成，其中基桩打入水下的土中，上部露出水面承载上部的平面结构（见下图1）。高桩码头为透空结构，结构很轻，用料省，波浪和水流可以在码头平面通过，不会对波浪产生很大反射，因此不影响泄洪和淤积。目前高桩码头向着长桩、大跨结构发展，逐步采用大型预应力混凝土管桩或钢管，可以适应各种地基，包括松软地基和岩石地基。但高桩码头的典型缺点是对超载和装卸变化适应差，耐久性不好。按照平面结构分类，高桩码头可分为连片式（满堂式和引桥式）和墩式；按上部结构分类可分为板梁式、承台式、桁架式和无板梁式。其各种形式高桩码头的优缺点及适用条件见下表1 所示。
表1 高桩码头形式及优缺点介绍.png)
图1 高桩码头实景图.png)
三、高桩码头抗震结构设计的要点分析
高桩码头的抗震设计主要包括两方面：
1.岸坡稳定性设计；
2.码头结构设计。其中岸坡稳定性设计主要涉及到地质勘查一类，在此不再详细叙述。而码头结构抗震设计则主要包括以下三方面内容。
（1）抗震设计条件
码头结构的抗震计算一般在结构静力对基础上加以计算，此时主体结构已经定型，而结构物的自身重力是地震惯性力的计算重点。当计算横向水平时，截取其中的一个排架单独计算。对于某一建筑，应将其重量平均分配到每个相关联的排架上计算。计算建筑物的纵向水平地震惯性力，一般按照某一建筑段计算，具体为：计算端部段时，长度一般为50m 左右；中间段不必进行计算。当整个建筑段都承担不了纵向地震惯性力时，可设置合适的带叉桩承台以提高抗震性。
（2）地震惯性力计算
在计算地震惯性力时应注意一些问题，诸如：将前后桩台作为一个整体计算；综合影响系数应充分结合实际情况考虑；如果假设桩体两端均为嵌固结构，则应乘以系数0.37；一般不将码头上的固定设备其附加动力效应考虑在内。但是当其用螺栓或锚固形式固定时，需要进行附加动力放大计算。
（3）建筑物结构应力分析
结构应力分析的重点是对叉桩的拉应力进行分析。后方桩台由于受制于前方桩台和护岸结构，所以震害很小，此时不再进行考虑。
1．Pushover 方法的计算分析
随着计算机技术的发展，软件模拟已成为目前码头抗震性计算的重要途径之一。其中基于结构性能设计的Pushover方法用于弹塑性抗震设计较为有效、准确。其基本过程如下：
（1）将高桩码头简化为单自由度体系，采用p-y 曲线法描述桩土相互作用；（2）结构位移基于反应谱计算；（3）利用Pushover 方法获得码头的结构-位移性能曲线；（4）比较2和3 的计算结果，寻找交点，该交点即为性能点；（5）将该些点对应的结构与设计目标比较看是否满足。
2．分析例子
某集装箱码头的吞吐能力为38 万TEU，结构形式为高桩码头，水平地震加速度为0.385g。桩基为Ф1，200 钢管，后4 排往钢管内灌入混凝土，上部结构为桩帽和纵横梁结构，横梁宽度为1.2m，高度2.5m。利用SAP2000 软件进行建模（见下图2），其中：桩顶灌芯上部为钢筋混凝土；下部为钢管和混凝土的复合截面。
图2 码头结构模型.png)
3．弹塑性分析
（1）反应谱分析。根据相关抗震规范基于反应谱对结构位移的需求进行计算，反应谱的阻尼比约为5%，具体见下图3 所示。
图3 该高桩码头对应的反应谱.png)
（2）Pushover 方法分析。依据该工程的抗震等级标准，在此分别对高桩码头的纵向和横向对其结构进行模拟分析，最终目的是得到基桩截面的屈服弯矩。本工程主要包含四部分：钢管桩、灌芯钢管桩、桩体上部分和下部分。其各个部分的屈服弯矩结果见下表1 所示。
表1 码头框架结构不同轴力对应的屈服弯矩（部分）.png)
本项目在模拟时设置位移步距长度为0.05m，当进行到第8 步时，总位移超过400mm，此时观察桩基不同部位的最危险铰接状态，即：泥面处和桩顶处。经观察发现码头部分桩顶处出现了塑性铰。之后再将此时的轴力和弯矩与规范标准要求值做对比，发现模拟值高出标准值10个百分点，说明码头的设计结构满足抗震要求。
四、港口码头结构抗震设计
1、对于高烈度区的重力式码头而言，可以将抛石棱体填充在墙后，这样可以将动土的压力大幅度地降低；在重力式码头结构抗震设计当中，除开验算码头的抗滑移和抗倾覆之外，同时，还应该对结构的竖向沉降变形和水平残余变形加以密切地关注。另外，还应该加强结构的整体性。
2、在板桩码头的结构设计上，最好是将挡土墙换成紧密的砂石料，这样可以避免在地震发生的时候出现锚碗结构位移或者是码头平面沉降的情况。另外，在结构设计上还应该考虑到整体的结构，并且还应该保证在同一段板桩码头上的锚碗结构形式能够保持一致。
3、在对高桩码头结构的抗震设计当中，还应该考虑到相对于横纵轴均对称布置方式的基桩以及码头纵向的刚度设计；对处于地震区域的高桩码头，应该使用应力混凝土桩。码头结构的平面布置应该尽可能平整、简单；如果平面较为复杂，还应该使用分缝的方式，比如在设置抗震缝的时候，应该将码头平面分成为若干个独立的单元。上部结构应该采用强度高、质量轻以及具备整体性好的结构与构件，这样可以将结构自重和地震惯性力减少，同时，也可以为其提供较好的刚度。在码头的前后状态间还可以设置出隔震缓冲材料，这样可以减轻以及缓和喷桩产生的影响。
4、在高桩码头结构的抗震设计中应注意，尽量采用桩基相对于纵、横轴均对称的布置方式以及码头的纵向刚度设计；对于地震区的高桩码头，应采用应力混凝土桩。码头结构的平面布置宜简单、规整；若平面较复杂时，宜尽量采用分缝的方法，如设置抗震缝等将码头平面分为若干独立单元。上部结构宜采用轻型、高强度、装配整体性好的结构与构件，以减少结构自重及地震惯性力，并提供较好的刚度。码头的前后桩台间家设置隔震缓冲材料，以缓和其碰撞、减速轻震害。
五、结束语
高桩码头应用范围较广，其抗震设计是影响性能的重要指标。为了实现港口码头的可持续运作就要强化港口码头的抗震设计。本文就重力式码头、板桩码头和高桩码头三种最为常用的港口码头结构，就其地震破坏机理、对应的抗震设计方法与抗震措施进行了重点的分析与探讨。通过有针对性的结构设计以及抗震措施的应用，可以最大程度上提高港口码头的抗震能力，从而有效避免不必要的地震损失，实现港口经济的可持续发展。
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论文作者:郑瑞灵
论文发表刊物:《基层建设》2016年12期
论文发表时间:2016/10/17
标签：码头论文; 结构论文; 港口论文; 惯性力论文; 平面论文; 位移论文; 弯矩论文; 《基层建设》2016年12期论文;