板桩码头前后轨道梁抗震连接构件设计

余神光，牛红林，孙 艺

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

引言

板桩码头作为一种重要的码头结构型式[1]，其前墙岸壁一般兼做前轨道梁基础，并打设独立桩基支撑后轨道梁。地震波的传输因土体的强度特性和空间特性不同会对结构产生不同的影响[2]，这将导致板桩码头前后轨道梁的地震响应不一致。当前后轨道梁的震后位移差过大时会直接到影响码头的生产运营，甚至需要重新建造轨道，导致工程投资增加。如何尽量减少前后轨道梁的震后位移差，目前国内规范没有明确的说法，美国 California抗震规范[3]规定在板桩码头前、后轨道梁之间设置连接构件是必要的抗震构造之一，其目的在于保证前、后轨道梁在地震时的位移协调性。但抗震连接构件是否必要，以及如何合理的设计连接构件，目前并没有详细的比较研究。

本文结合某强震区的板桩码头，利用有限差分软件FLAC 2D进行动力时程分析，论证前后轨道梁抗震连接构件的必要性，对比研究不同连接构件、不同连接方式的受力特性和适用性，可为类似项目提供设计参考。

1 工程概况

某工程所在区域基岩地震峰值加速度为0.27g。该工程含2个13.1万t级的集装箱泊位，码头结构为单锚板桩结构，前墙为直径2 300 mm钢管桩和AZ6钢板桩组成的组合结构；后轨道梁桩为直径1 000 mm的钢管桩；锚定结构为直径1 000 mm钢管桩和AZ14钢板桩的组合结构；采用直径140 mm的STE550钢拉杆将前墙与锚定墙连为整体，钢拉杆间距为3.62 m。典型断面如图1所示。

图1 码头断面示意

2 计算模型

常见的地震分析方法可归纳成三种：拟静力法、简化动力法和动力时程分析法[4]。结合板桩码头自身结构特点，工程上多采用拟静力法进行结构内力的求解。但拟静力方法需要太多假定，且地震振动所引起的土体重复加载与变形，是拟静力方法所无法准确模拟的[5]。动力时程分析方法以输入的加速度时程曲线为基础，逐步积分求解出每一时刻的模型振动状态，可以得到比较准确全面的地震响应。本文重点关注结构的位移和内力响应，因此采用动力时程法进行分析计算，软件选取美国 Itasca咨询与软件公司开发的有限差分软件FLAC 2D[6]。

利用FLAC 2D软件建立前述码头断面的平面应变分析模型，土体采用摩尔-库伦本构模型，前墙、锚定墙采用BEAM单元，后轨道梁桩采用PILE单元，钢拉杆采用 CABLE单元，混凝土横撑采用BEAM单元。

模型底部采用静态边界（也称粘性吸收边界），以避免向外传播的波反射回模型中；两侧采用自由场边界，以提供与无限场地相同的效果。材料阻尼采用滞后阻尼，以考虑岩土材料的滞后特性；同时为减弱高频部分带来的分析影响，考虑一个较小分量的瑞利阻尼。地震荷载通过在静态边界上输入应力时程实现，应力时程由加速度时程积分转化而来，地震加速度时程曲线如图3所示。

图3 地震加速度时程曲线

3 抗震连接构件设计研究

板桩码头在国内外抗震设计中，一般采用无连接、钢拉杆连接、钢筋混凝土横撑连接等方案。针对前述码头案例。

3.1 钢拉杆连接

当板桩码头前、后轨道梁之间不采用任何构件连接时，前后轨道梁顶点的位移时程曲线如图4所示。可以看出，当前、后轨道梁之间不设置连接构件时，震后位移差高达72 mm，远超一般门机正常运行的允许偏差，震后必须对轨道进行重建。

图4 前后轨道梁位移时程对比：无连接

在前、后轨道梁之间设置STE550小型钢拉杆进行连接，如图 5；前后轨道梁顶点的位移时程曲线对比如图6所示，前后轨道梁顶点的震后位移差将减小至13 mm。

通过表1对比可知，相比于无连接，采用连接构件可明显提升前后轨道梁的地震响应协调性，既可减小前墙的震后残余位移，也可有效减小前后轨道梁的震后位移差。因此，前、后轨道梁之间设置抗震连接构件是合理且必要的。

图5 钢拉杆连接示意

图6 前后轨道梁位移时程对比：钢拉杆

表1 前后轨道梁的震后侧向位移对比

3.2 钢筋混凝土横撑连接的方式

混凝土横撑作为另一种连接构件，既能承压又能承拉，且抗弯性能良好。混凝土横撑端部一般与前后轨道梁结构整体现浇为“固接”型式，如某国际著名咨询公司在中东某码头的设计中采用了该种方式。考虑后期土体沉降等因素，为避免码头面荷载对横撑结构造成较大的附加弯矩，该咨询公司建议在横撑下方设置支撑桩，以减小横撑跨度。基于该方式连接的码头断面如图7所示。

图7 混凝土横撑固接方式示意

考虑到上述“固接”方式对使用期的地基沉降适应性较差，额外的支撑桩基必将增加较多的工程投入。为节省造价，笔者单位提出了一种“锁扣式”连接方式（如图8）。即在前后轨道梁内侧增设凹形“卡槽”结构，混凝土横撑的端部设计为“凸榫”形式，横撑的凸榫端安放于轨道梁两侧的卡槽内，缝隙填塞沥青木丝板等减震材料。该结构能适应一定程度的土体沉降，无须设置额外的支撑桩基。

图8 混凝土横撑锁扣式连接示意

3.3 混凝土横撑不同连接方式的效果对比

混凝土横撑分别采用“固接”和“锁扣式”连接时，前后轨道梁位移时程曲线如图9和图10所示，震后侧向位移对比如表2所示。

可以看出，钢筋混凝土横撑无论采用固接或是锁扣式连接均能有效的限制前后轨道梁的震后位移差，且效果接近一致。

图9 前后轨道梁位移时程对比：固接

图10 前后轨道梁位移时程对比：锁扣连接

表2 前后轨道梁的震后侧向位移对比

3.4 混凝土横撑不同连接方式的内力对比

尽管混凝土横撑无论采用固接或锁扣式连接均能有效的限制前后轨道梁震后位移差，但两种连接方式的受力机理完全不同。

1）固接时，混凝土横撑与前后轨道梁以及支撑桩形成一个刚性框架结构，而不同结构在地震振动下的响应不同，竖向变形的不同步将导致横撑结构产生较大的附加弯矩。横撑结构内力采用 FLAC整体建模分析求解，弯矩和轴力的时程曲线分别如图11和图12所示。

2）锁扣式连接时，混凝土横撑的受力近似于弹性地基梁，“活动锁扣”的设置能有效地避免前后轨道梁竖向变形不同步引起的附加弯矩。横撑结构的弯矩和剪力采用弹性地基梁法进行计算，轴力与固接方式的计算结果一致。从表3可以看出，端部连接方式对混凝土横撑结构的内力影响显著，固接方式的横撑弯矩和剪力远远大于锁扣式连接。采用锁扣式连接可有效地降低混凝土横撑结构内力，从而降低结构的钢筋用量。

图11 混凝土横撑固接时的弯矩时程曲线

图12 混凝土横撑固接时的轴力时程曲线

表3 横撑结构不同连接方式的内力对比

3.5 不同连接构件对比

根据上文分析，无论采用钢拉杆或是混凝土横撑连接，均能有效地减小板桩码头前后轨道梁的震后位移差。然而从结构特性角度来看，不同连接结构各有利弊。

1）钢拉杆抗拉强度较高，对土体的不均匀沉降和上部集中荷载有着较强的适应性，但承压能力较弱，限制位移具有单向性。从图3和图5可以看出，前后轨道梁存在明显的相向运动，即连接构件在地震中不仅承受拉力，也将承受着较大的压力。考虑到钢拉杆承压能力较弱，在压力作用下易发生屈曲，存在一定的安全隐患，因此不推荐钢拉杆作为前后轨道梁的抗震连接构件。

2）相比于钢拉杆，钢筋混凝土横撑结构能承压又能承拉，抗弯性能良好，但抗拉能力偏弱。混凝土横撑采用固接方式进行连接，可以加强前后轨道梁结构的完整性，但无法释放地震中轨道梁桩基竖向变形不同步引起的附加弯矩。特别的，如果前、后轨道梁之间的填土在使用期存在较大的沉降或存在较大的路面荷载时，横撑将承受极大的附加弯矩，往往需要设置中间支撑桩以减小跨度。

3）锁扣式的连接方式不仅能保证前后轨道梁的地震位移协调性，也能通过竖向自由活动释放地震中轨道梁桩基竖向变形不同步，使用期地基沉降或路面荷载引起的附加弯矩，使结构更为安全，也能节省造价。因此，从结构受力特性来讲，推荐采用锁扣式连接的钢筋混凝土横撑作为强震区板桩码头前后轨道梁的连接构件。

4 结语

1）计算表明，强震区板桩码头前、后轨道梁之间设置连接构件是必要且合理的，能有效的限制前后轨道梁震后位移差。

2）钢拉杆承压能力相对较弱，无法承受前后轨道梁在地震中的相向运动，不推荐作为强震区板桩码头的前后轨道梁连接构件。

3）混凝土横撑可以有效的保证板桩码头前后轨道梁在地震中的变形协调性。混凝土横撑无论采用固接或锁扣式连接均能有效的限制前后轨道梁震后位移差，但两种连接方式的受力机理完全不同，导致弯矩差异较大。

4）相比于固接，锁扣式的连接能使混凝土横撑结构的受力更为合理，能有效的消除使用期地基不均匀沉降或码头上部荷载引起的附加弯矩。本文推荐采用锁扣式连接的混凝土横撑作为强震区板桩码头前后轨道梁的连接构件，可为类似项目提供设计参考。