基于國際標準的強震作用下高樁結構LNG碼頭樁基布置

虞 鑫，曹凱平，孔友南

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司 上海 200032)

抗震設計是碼頭水工建筑物設計中的一個重要部分。對于LNG碼頭，由于其安全等級要求高，對于抗震設計的要求較常規碼頭要更高。對于強震地區的LNG碼頭設計，如何合理確定結構方案、充分發揮結構的抗震能力，是設計過程中需要著重解決的問題。

對于境外項目，通常需要按照國際標準進行設計。在結構抗震設計方面，目前國際上較為主流的設計標準包括歐標、美標及日本標準等。本文主要結合歐標規范中的抗震相關規定，根據LNG碼頭的特殊性提出了高樁墩式結構在設計過程中需要注意的方面。

高樁墩式結構主要由樁基來承受豎向及水平荷載，樁基布置形式對結構整體的承載能力具有重要影響。如果方案不合理，可能造成部分樁基受力集中、造成局部破壞，而其余樁受力較小、承載力沒有充分發揮，從而導致結構整體的承載能力受部分樁基的制約，無法滿足設計要求。同時，也應避免過度加強結構，這么做盡管承載能力滿足設計要求，但同時也提高了工程造價，造成不必要的浪費。對于一般工程中的高樁墩臺結構，考慮施工便利，通常將樁的斜度統一采用某一固定值。這種樁基布置方案在一般工程條件下是合理的，但在強震工況下，按此規則布樁，會造成樁受力分布不均勻。

1 設計方法

本文依托工程設計標準為歐標，故采用歐標抗震規范EUROCODE 8Designofstructuresforearthquakeresistance(EN 1998-1)[1]，應用振型分解反應譜法，通過有限元軟件，對幾種不同的樁基布置方案進行分析比較，并根據計算結果推薦了適用于強震地區LNG碼頭的墩臺布樁方案。

1.1 設防標準

歐洲規范抗震設計采用兩級設防標準：1)不坍塌要求。當遭受50 a一遇超越概率10%(重現期475 a)的設計地震作用時，結構應設計和建造成能抵抗設計地震作用、無局部或整體坍塌、并在地震后能夠繼續保持結構的整體性和一定的殘余承載力。2)有限破壞要求。當遭受10 a一遇超越概率10%(重現期95 a)的設計地震作用時，結構應設計和建造成能抵抗地震作用、沒有損壞且不會造成使用上的限制。在結構強度設計中，一般以不坍塌要求，即475 a重現期的地震為基準，一般規范所附的地震烈度區劃圖也以對應475 a重現期的烈度表示。

對于LNG碼頭，按NFPA59A的要求，抗震等級分成兩個等級：operating basis earthquake(OBE)，超越概率為50 a內10%(重現期475 a)；safe shutdown earthquake(SSE)，超越概率為50 a內2%(重現期2 475 a)。要求OBE地震作用下碼頭可以維持運營，在SSE地震作用下結構不坍塌。

1.2 地震作用及反應譜

在抗震設計中，常用的計算方法包括振型分解反應譜法、Pushover法和時程分析法。振型分解反應譜法是一種用靜力學方法近似解決動力學問題的簡易方法，相對于其他兩種方法，反應譜法在計算簡單構件且不考慮塑性變形的條件下具有較高的效率。反應譜法是利用單自由度體系的加速度設計反應譜和振型分解的原理，求解各階振型對應的等效地震作用，然后按照一定的組合原則對各階振型的地震作用效應進行組合，從而得到多自由度體系的地震作用效應[2-6]。

歐洲抗震規范EN 1998-1以加速度的形式給出了反應譜，并假定不同水準的地震彈性反應譜形狀相同，其彈性反應譜曲線由式(1)～(4)確定，反應譜見圖1。

圖1 歐標反應譜

(1)

Se(T)=2.5agSη(TB

(2)

(3)

(4)

式中：Se為彈性反應譜；ag為設計地面加速度；S為場地放大系數，由場地類型決定；η為阻尼調整系數，對于絕大多數建筑阻尼取5%，則η取值為1；T為單自由度體系振動周期；TB、TC、TD為由場地土類別決定的特征周期。

歐標EN 1998-1規范中對于設計反應譜做出了規定，指出結構體系在彈塑性階段抵抗地震動所需的地震剪力要比彈性反應下的地震剪力小。在設計中為了避免對結構彈塑性的精確分析，依賴于結構主要構件延性性能或其他機制的耗能能力，通過將彈性反應譜進行折減得到設計反應譜，折減因子稱為性能系數，用q表示。經性能系數折減后的水平方向的地震設計譜值Sd(T),由式(5)～(8)確定。

(5)

(6)

(TC

(7)

(TD

(8)

式中：Sd(T)為設計反應譜；q為性能系數；β為水平設計反應譜下界系數。

1.3 地震力與自振周期、剛度、位移

根據反應譜法的基本原理，單質點線性結構所受的地震力與結構質量M、自振周期T及阻尼系數有關，而通常結構的阻尼系數很小，可忽略不計。所以通過T查出反應譜上對應的反應加速度a，乘以質量M從而得出地震力F，見式(9)：

F=Ma

(9)

自振周期T與側向剛度K及質量M有關，見式(10)。當結構的側向剛度K減小時，結構的自振周期將會增大。當計算得出自振周期T大于TC時，根據圖2可知，結構的反應加速度將隨T的增大而減小。此時，在結構質量沒有明顯變化的情況下，結構所受的地震力將隨之減小。

(10)

進一步考慮地震力下的位移D與側向剛度K的關系，見式(11)。假定某結構質量不變，側向剛度不斷增加，根據不同的自振周期，以圖2反應譜為例，得出反應加速度，從而得到地震力。并根據求得的地震力求出結構的側向位移，得到側向剛度和位移的一般規律曲線，見圖3。

(11)

圖2 反應譜

圖3 側向剛度與位移關系曲線

由圖3可見，隨著結構側向剛度的增加，在質量不變的情況下，結構的位移會不斷降低。

由上可知，雖然結構剛度增加會增加地震力，但結構整體位移仍隨著剛度的增加而下降。故為了減小結構位移，仍可通過增加結構側向剛度。

2 樁基布置形式及案例分析

地震作用具有往復性，因此與常規的水平荷載，如系纜力、靠泊力不同，地震荷載需要考慮雙向作用。在強震工況下，為減小水平位移，高樁墩臺可采用斜樁結構，同時樁基宜對稱布置。

為了解不同樁基布置對于結構承載能力的影響，文中采取了3種不同的樁基布置方案進行比較。以南亞某LNG項目為例，工作平臺尺寸30 m×30 m，樁基采用30根φ1 200 mm鋼管樁，同時外部荷載按15 kNm2均載考慮。根據工程所在地的地震加速，繪制OBE及SSE工況設計反應譜見圖4。

圖4 水平設計反應譜

方案1：采用全直樁方案；方案2：采用斜樁方案，內外斜度相同，斜度均采用4:1，樁基對稱布置；方案3：采用斜樁方案，階梯斜度布樁，外側樁斜度較大，斜度為4:1，內側樁斜度較小，分別為6:1、8:1，樁基對稱布置，各方案樁基布置見圖5。并采用Autodesk ROBOT建模進行計算，見圖6。計算結果見表1。

圖5 樁基布置(單位：mm)

圖6 計算模型

表1 計算結果

由上述結果可知，方案1全直樁方案剛度最小，自振周期最大，樁身最大壓力最小，無拉力，但位移最大；方案2結構剛度在3個方案中最大，自振周期最小，樁身的最大壓力及拉力均很大，樁承載力無法滿足要求，但位移最小；方案3結構剛度及自振周期介于方案1和方案2之間，樁身壓力、拉力均能夠滿足要求，且位移較方案2要小。

可見，對于LNG碼頭這種抗震等級高、且對于位移有限制要求的工程，方案3較其他兩種樁基布置形式更加合理。

3 結論

1)LNG碼頭抗震要求高，歐標中沒有專門針對LNG碼頭的抗震設防標準，因此可采用NFPA59A標準，并按歐標的設計方法進行設計。

2)不同的樁基布置形式對結構的自身剛度影響較大，提高結構側向剛度會增加結構的地震力，但隨著剛度的增加，結構的整體位移仍會下降。

3)對于大型LNG碼頭高樁墩式結構，布置多排樁基時，如采用全直樁方案，結構位移較大。如采用相同斜率方案，在地震作用下，部分樁基樁力較大，且樁力分布很不均勻。推薦采用內外不同斜率的布樁方式，可有效降低最大樁力和樁的拉力，同時可控制結構整體位移，較適用于強震地區的LNG碼頭。