厦门合诚工程设计院有限公司福建厦门361006
摘要：港口作为水陆联运的枢纽，对区域和国家的经济具有举足轻重的影响。码头作为重要的港口设施之一，对于维持港口的正常运营必不可少。码头结构除承受其自身重力、堆货荷载、起重运输机械荷载、船舶荷载、波浪力等荷载外，对于处于地震区的码头，还要遭受地震作用。国内外近年来的港口工程震害表明，码头结构在地震作用下易于遭到破坏，并会带来极大的直接和间接经济损失，因而研究码头结构的抗震性能对于减轻地震损失具有重要意义。高桩码头作为重要的码头结构型式之一，具有对波浪反射小、泊稳条件较好、对挖泥超深的适应性强和砂石料用料少等特点，并且特别适用于软土地基，因而在港口工程中得到广泛应用。
关键词：高桩码头；抗震结构设计；要点分析
导言
作为世界第二大经济体，我国港口吞吐量连续多年位居世界前列。在全球十大港口吞吐量排名中，我国占据7席，总量超过78.4亿t。由此可见港口建设对沿海乃至全国地区经济发展的重要意义。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，而且我国规范仍采用单一的设防水准，未体现基于性能的抗震设计理念。另外在抗震概念设计和构造措施上也存在严重不足，比如我国规范仍规定在桩基布置中适当增加叉桩，而国外标准禁止或限制叉桩的使用。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。
1高桩码头抗震性能和设计方法研究进展分析
我国高桩码头抗震研究始于1976年唐山大地震后，在地震后的数十年间开展了大量理论和试验研究，而随着时间推移，由于我国沿海地区再未发生过破坏性地震，高桩码头抗震研究基本停滞不前。随着我国港口工程企业逐步向海外发展，发现国内抗震设计标准与国外标准之间存在巨大差异和不足，而国外很多港口都位于强震区，对此提出了与国外标准进行对接研究的课题，以期为国内企业开拓国外市场提供技术支持。
另外，世界范围内地震活动日益增强，我国沿海地区未来发生破坏性地震的可能性日渐增大，有必要深入开展高桩码头抗震研究。
2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。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。
3高桩码头震害和破坏形式
与板桩码头和重力式码头不同，高桩码头的上部结构暴露在泥面以上，重心在面板所在平面，因此，高桩码头的地震破坏主要发生在下部桩基。造成高桩码头变形/破坏的主要原因是地震引起的上部结构惯性力和软弱地基土的变形以及挡土结构对上部结构的水平力。对于建在坚硬地基土上并有稳定岸坡的高桩码头，上部结构的惯性力是造成结构破坏的主要原因，桩身最大弯矩出现在陆侧桩的顶部；如果岸坡顶部或挡土墙顶部的变形过大，码头上部结构会出现较大的海侧位移；对于建造在软弱地基土上的高桩码头，岸坡变形会直接引起桩的海侧变形。
归纳来讲，高桩码头上部结构主要受水平地震惯性力作用，而且其刚度、强度相对桩基较大，震害相对较轻，主要为水平振动引起的桩台碰撞、错动、挤压及扭转。高桩码头的震害主要集中在下部桩基础上，主要破坏形式为桩－土相互作用引起的桩身变形过大、叉桩破坏、桩－上部结构连接破坏、回填土液化、挡土结构破坏以及岸坡失稳等。
4高桩码头抗震结构设计的要点分析
4.1抗震性能要求
4.1.1设计分类
设计前应由具有权限的部门制定设计分类，业主可以指定更严格的设计分类。例如基于力的抗震设计方法，传统的基于力的设计方法主要关注结构安全，但无法有效控制地震对码头的损坏程度及造成的损失，而基于性能的抗震设计方法通过控制结构在设计地震下的破坏水平实现预先设定的性能目标。对于高桩码头而言，地震破坏造成的主要损失不是码头的结构成本，而是码头破坏造成的港口运营中断。另一方面，基于力的抗震设计方法通常采用单一水准设防，利用等效地震力进行结构极限承载力设计，而基于性能的设计方法采用不同水准的设计地震，并针对不同水准采用不同的性能目标。
4.1.2提高性能水准的措施
（1）保护生命安全方面
地震后，结构能够继续承受重力荷载;破坏后不会阻碍出口；不会发生引起公共问题的材料流失。混凝土、钢筋和结构钢材料特性混凝土圆柱体抗压强度应采用f'c=5000psi（34.47MPa），钢筋和钢管桩应均采用60级钢，屈服强度fy=60ksi（413.7MPa），除抗剪计算，采用强度平均值计算。
（2）可控、可修的破坏方面
结构在易于修复的部位经历非弹性变形后，达到可控的延性状态；所需修理造成停运不超过几个月；不会发生引起公共问题的材料流失。结构没有发生或仅发生较小的残余变形，接近弹性状态；不造成停运；不会发生引起公共问题的材料流失。
4.2抗震设计条件分析
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。
4.3地震惯性力计算要注意的问题
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。
4.4提高桩受剪承载力的措施
高桩码头利用桩良好的弯曲变形性能，通过形成塑性铰来适应地震要求的大变形，而桩水平荷载下的抗剪性能比较差。为避免桩发生剪切破坏，设计中要求
“强剪弱弯”，称为“能力设计”或“能力保护”。实现能力破坏的方法是对桩的抗剪按超强设计，即桩承受的水平力在满足不同地震水平应变限值的条件下，受剪承载力仍有一定安全储备。POLB规定，桩超强剪力需求V0通过非线性静力弹塑性分析得到，采用1.25的超强系数。除此之外，码头抗震设计中要求桩的受剪承载力大于桩的超强剪力需求V0。
结论
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。而当前验算高桩码头设计结构是否满足抗震标准的重要手段就是利用计算机模拟技术。通过模拟分析发现泥面处和桩顶处是高桩码头最薄弱环节，因此在设计和施工中应采取加强措施，比如合理设置叉桩、浇筑混凝土时保证其整体性。同时应该明白：计算机模拟技术有其局限性，不可能将所有因素都考虑进去，所以总结结经验教训，密切结合工程实际环境，适当加大抗震富裕系数是提高高桩码头抗震性能的重要基础。
参考文献：
[1]张磊，程泽坤，范晔.境外高桩码头结构抗震设计方法[J].水运工程，2013，10：133-137+142.
[2]陶桂兰，王定.水平地震作用下高桩码头结构响应谱分析[J].中国港湾建设，2012，01：9-11+47.
[3]陶桂兰，陈祥，王定.高桩码头叉桩布置形式抗震性能分析[J].河海大学学报（自然科学版），2012，04：469-474.
[4]李颖，贡金鑫，张艳青.高桩码头抗震性能的推覆分析方法研究（英文）[J].船舶力学，2011，09：1022-1032.