一种基于性能的高桩码头减隔震设计方法

本发明涉及港口工程抗震，具体而言，尤其涉及一种基于性能的高桩码头减隔震设计方法。

背景技术：

1、随着全球沿海地震带日益活跃，地震惯性作用导致的高桩码头桩基损伤造成了大量港口停运损失。为降低码头面板传导至桩基的惯性作用，一些学者提出高桩码头减隔震体系。其中在桩顶布置隔震支座，通过将码头塑性变形集中在隔震层降低桩基损伤。并通过在桩和面板之间设置阻尼器，提高结构耗能能力。针对高桩码头减隔震体系，目前并未提出基于性能的抗震设计方法。这将阻碍高桩码头减隔震体系规范化设计和应用推广。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种基于性能的高桩码头减隔震设计方法。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于性能的高桩码头减隔震设计方法，包括如下步骤：

4、s0：确定码头减隔震体系；

5、s1：基于码头减隔震体系，确定码头抗震性能目标和面板位移限值；

6、s2：基于面板位移限值，进行设防地震水准设计，确定隔震支座的设计参数；

7、s3：基于隔震支座的设计参数，进行基于罕遇地震水准的减震设计，并从能量设计角度确保减隔震码头实现罕遇地震抗震性能目标；

8、s4：采用非线性静力方法或非线性时程分析法进行罕遇地震下结构响应的校核，验算中震和罕遇地震位移，同时考虑桩和隔震支座的材料非线性；

9、s5：进行码头保护构件能力设计与船撞力验算：通过能力设计法设计码头结构中保护构件，确保码头保护构件保持弹性；基于码头隔震后抗侧刚度降低，进行设计船型的船撞力验算。

10、进一步地，所述步骤s0中，码头减隔震体系至少为直桩码头减隔震体系、叉桩码头减隔震体系，码头减隔震体系至少包括码头主体、隔震支座、阻尼器及钢连梁。

11、进一步地，所述步骤s1中，根据业主要求或采用规范方法来确定码头在设防地震及罕遇地震的面板位移限值δ1、δ2。

12、进一步地，采用的规范方法为：基于码头减隔震体系中码头桩基布置、截面尺寸及初步配筋量，建立码头数值模型，并进行pushover分析，根据相关规范得到码头面板位移限值δ1、δ2。

13、进一步地，所述步骤s2的设计步骤如下：

14、s2.1：将隔震码头周期teff初设为原码头周期to的两倍；确定teff后，计算码头设防地震水准规范反应谱位移sd和等效刚度keff；

15、s2.2：基于桩刚度一致原则将结构总抗侧刚度keff分配至各桩，迭代确定需要布置的隔震支座数量n与支座等效刚度keff-i；

16、s2.3：根据隔震支座实际布置迭代计算keff、teff、ξeff及谱位移sd，直到sd小于δ1；

17、s2.4：根据keff-i、sd及隔震支座阻尼比ξeff-i确定隔震支座的设计参数。

18、进一步地，所述步骤s2.1中，码头设防地震水准规范反应谱位移sd满足如下公式：

19、

20、式中，sd为隔震码头面板设防地震水准反应谱位移，c为设防地震加速度反应谱地震影响系数；

21、计算得到码头设防地震水准规范反应谱位移sd后，验算sd是否符合设防地震水准位移限值δ1；

22、隔震码头结构等效刚度keff满足如下公式：

23、

24、式中，w为码头结构总重力标准值；

25、所述步骤s2.3中，隔震码头等效阻尼比ξeff、第i个桩基上隔震支座等效阻尼比与第i个桩基的阻尼比满足如下公式：

26、

27、式中，为第i个桩基隔震支座水平设计位移；为第i个桩基隔震支座等效刚度；为第i个桩基抗侧刚度；为第i个隔震支座的等效粘滞阻尼比；为第i个桩基的等效粘滞阻尼比；

28、将得到的码头等效阻尼比ξ’eff、面板位移s’d与δ1对比是否符合设防地震水准设计目标；

29、所述步骤s2.4中，采用摩擦摆隔震支座进行隔震设计，并建立滞回模型；隔震支座摩擦系数与曲率半径满足如下公式：

30、

31、式中，ki为隔震支座初始刚度；dy为支座屈服位移；dd为隔震支座水平设计位移；μ为摩擦系数；kfps为摩擦摆支座的摆动刚度；keff-i为隔震支座等效刚度；w为隔震支座所受轴力；r为摩擦摆曲率半径。

32、进一步地，所述步骤s3具体包括如下步骤：

33、s3.1：初设阻尼器等效刚度kdamper和减隔震码头等效周期teff,mce；

34、建立摩擦阻尼器本构模型，设摩擦力为fs，mce地震设计位移为δ2，设由阻尼器和支座组成的减隔震装置与叉桩刚度比为β，得到：

35、β＝(kdamper+keff-i.mce)/kbatter＜0.3；

36、kdamper＝fs/δ2；

37、keff-i,mce＝μwb/δ2；

38、式中，kdamper和keff-i,mce分别是摩擦阻尼器和隔震支座在mce地震水准的等效刚度；kbatter为叉桩总刚度；

39、减隔震码头等效周期teff,mce满足如下公式：

40、

41、式中，keff,mce为减隔震码头等效刚度；

42、s3.2：确定地震输入能量；

43、通过减隔震码头等效周期teff,mce和mce设计反应谱确定码头面板谱速度sv，通过码头面板谱速度sv得到地震输入能量，地震输入能量满足如下公式：

44、ein＝1/2msv2；

45、式中，ein为将结构等效为弹性单自由度体系的输入地震能量，m为结构设计质量；

46、设地震输入能量全部由摩擦阻尼器耗散，摩擦摆的耗能作为储备。为消耗地震输入能量，阻尼器设计摩擦力fs应大于摩擦力需求fsd。阻尼器摩擦力需求fsd满足如下公式：

47、

48、式中，为阻尼器单圈耗能和地震总耗能换算系数；为考虑阻尼器未充分耗能的折减系数。

49、进一步地，所述步骤s4中，非线性时程分析法采用3组及以上时程，其中采用的时程小于7组时，结构响应结果取各组时程响应的最大值；采用7组或更多时程进行分析时，结构响应结果取分析的平均值。

50、进一步地，所述步骤s5中，码头保护构件至少包括码头面板、隔震桩、隔震支座连接件、阻尼器、钢连梁，对码头保护构件受弯及受剪的地震需求进行验算，地震需求小于构件设计承载力。

51、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

52、1、本发明提出码头减隔震设计方法能满足多水准抗震目标，实现了减隔震码头的性能化设计。

53、2、本发明减隔震码头可实现高于非隔震码头(采用相同桩型)的抗震设防等级，实现罕遇地震处于可修复水平，可有效提升高地震烈度地区的码头抗震韧性。

54、3、本发明减隔震码头的隔震措施解除易损桩和面板运动，保护桩体，增加结构周期，降低地震惯性力。同时阻尼器增加耗能能力，控制结构地震位移。使结构在具有合理的损伤机制前提下具有高耗能能力和可控反应。

55、基于上述理由本发明可在抗震等领域广泛推广。