某開敞式海域地名標志項目結構設計分析

詹坤豫 高迎歆

摘 要：以某開敞式海域地名標志項目為依托，通過計算分析在外海經受強風浪的水工建筑物的結構選型。

關鍵詞：開敞式 強風浪 地名標志

1.引言

傳統(tǒng)水工建筑物的建設應盡量選擇在自然條件良好的區(qū)域。此區(qū)域是天然形成，亦或者是通過工程改造，如建設防波堤等方式，使風浪條件能夠達到滿足水工建筑物正常使用的水平。然而，對于一些建設于遠離大陸的外海區(qū)域的建筑物，由于施工難度，施工成本等因素的影響，想通過防波堤等傳統(tǒng)結構改善風浪條件的方式不管從技術上還是經濟上都有較大難度。因此，只能通過水工建筑物本身的結構穩(wěn)定性來抗衡不利風浪條件的影響。下面，將某開敞式海域地名標志項目為載體，通過計算分析選擇在極端風浪條件下保持穩(wěn)定的最優(yōu)結構。

2.項目概況

本項目為在某開敞式海域建造一座地名標識工程，建筑物的結構安全等級為Ⅱ級，設計使用期為30年。

3.自然條件

（1）風

項目所處海域熱帶海洋性季風氣候非常明顯。每年10月以后，從西伯利亞和內蒙高原吹來的冬季氣流不斷奔向中國南方海洋，所以此海域及諸島每年11月至次年3月盛行東風季風，平均風力5到6級，超過7級大風頻率達到5%。每年4月開始，此海域及諸島轉而受熱帶與赤道海洋氣團的影響，5月至9月盛行西南季風，平均風力4到5級，除受臺風影響的時候，海面相對平靜。7月到11月臺風最為強烈，這些臺風七成來自菲律賓以東的西太平洋面和加羅林群島附近洋面，破壞力巨大，俗稱“土臺風”。

西太平洋形成的臺風走向較為規(guī)律，“土臺風”則變化多端，難于預測，往往從生成到登陸的時間極短，防臺難度較大。此海域上生成的土臺風有15%能夠加強為臺風，瞬時風力可以達到11到12級風。

此海域的霧每年在北部沿海出現(xiàn)最早，始于頭年12月，12月至4月為霧季，2月至3月霧最多。

（2）設計水位

本工程有關的設計水位（當地理論最低潮面起算）如下：

設計高水位：1.75m

設計低水位：0.23m

極端高水位：2.52m

極端低水位：-0.26m

（3）波浪

本項目波浪要素采用項目所在地的水深對應的極限波高、波長和波周期：波高11.85m，波長135.5m，周期12.0s，并以此波浪條件作為波浪力的計算參數。

（4）工程地質

本次勘察已查明在勘探深度范圍內，根據地層巖性特征從上而下劃分為①珊瑚礁碎石共1個工程地質層。如下：

①珊瑚礁碎石（Q4m）：灰色、灰白色，飽和，松散-稍密，主要由珊瑚碎石塊及塊石組成，夾雜大量粉、細砂粒及貝殼，顆粒形狀不規(guī)則，大小不均勻，多孔易碎，分選性差。層頂標高12.60～12.80m，平均值12.70m；層厚25.10～26.30m，受孔深限制，該層未揭穿。

4.結構選型思路

項目所處位置屬于強風浪外海區(qū)域，沒有任何掩護，考慮采用傳統(tǒng)的高樁墩臺結構或者重力式結構。

初步考慮高樁墩臺結構方案，擬采用鉆孔灌注樁基礎，樁頂安裝預制混凝土墩臺。采用直徑為1.6m，樁長為38.2m的樁基，樁頂與預制混凝土墩臺固接的結構型式，經計算，結構在極端工況下可滿足抗彎抗拔的受力要求，因此，此方案在技術上可行的。然而項目所在地處外海區(qū)域，施工作業(yè)條件惡劣，普通鉆孔設備無法滿足作業(yè)要求，需采用深海鉆探石油的大型鉆孔設備，基于施工單位現(xiàn)有船機配置無法滿足這一施工要求，此方案未能得到業(yè)主及施工單位的認可，需考慮其他可行方案。

根據現(xiàn)有施工資源，對重力式結構方案進行重點分析，如下圖所示，本項目擬采用此斷面結構，為重力式墩柱結構。墩臺直徑2.7m，厚度1.5m，鋼筋混凝土（C40）結構。圓柱為？1800mm，高17.30m鋼護筒混凝土立柱，鋼護筒壁厚14mm，材質為 Q235B，下部嵌入基座?；鶠?0m直徑圓形的外切六邊形，基座高度為2m，正六邊形鋼筋混凝土結構，底座開六個直徑為1.9m的圓孔。底座上部疊放4層11m直徑圓形的外切六邊形的混凝土壓載塊體，高度為2m，每層壓載塊開六個直徑為1.9m的圓孔。安裝底座前先拋填塊石基床，拋石基床頂標高-14.80m，基床厚度根據現(xiàn)場情況確定。壓載塊體安裝完畢后向各個預留圓孔插入工字鋼，并往孔內灌澆水下混凝土。墩臺外圍設置1.05m高的不銹鋼欄桿。標識結構由碑體和基座組成。碑體平面尺度長2.012m，高1.024m，厚度為0.3m，碑體為天然花崗巖結構。之所以考慮此結構形式，源于結構主要受波浪力作用，柱型結構受力相對合理，結構所受波浪力主要與立柱的尺寸相關，直徑越小所受波浪力越小，但是結構自身的自重就越小，由此產生的穩(wěn)定力矩相應減小。因此，就需要通過計算分析，確定立柱尺寸，使所受波浪力與機構自重達到平衡，極限風浪工況下依然能夠保持整體穩(wěn)定。下面，將對計算的過程進行闡述。

5.結構計算分析

根據《港口與航道水文規(guī)范》（JTS145-2015）10.3.2.1，H/d<0.2且d/L》0.2或H/d>0.2且H/d》0.35時，整個柱體高度上的最大速度分力PDmax和最大慣性分力Ptmax可按下列公式計算：

PDmax和PImax對斷面的力矩MDmax和MImax分別按下列公式計算：

MImax—作用于柱體計算高度上的最大慣性力矩（kN·m）；

結合《重力式碼頭設計與施工規(guī)范》（JTS167-2-2009）2.5章節(jié)內容，對結構在極端風浪條件下進行抗傾抗劃穩(wěn)定性計算以及地基承載力驗算，計算結果如表2、表3。

經計算，結構滿足在極端風浪條件作用下的保持穩(wěn)定的要求。

6.結語

（1）本工程采用重力式墩柱結構滿足當地極端風浪條件下的受力要求，同時主體結構采用預制的型式，現(xiàn)有船機設備滿足對預制構件的起吊工作要求，現(xiàn)場現(xiàn)澆混凝土量較小，從而很好地降低了現(xiàn)場施工的難度。

（2）在各層混凝土塊安裝疊放完畢后將工字鋼插入預留孔洞，并灌入水下混凝土，從而達到加強結構整體性的作用。

（3）此結構設計的不足之處在于現(xiàn)場拋石量較大，在遠離石料料場的外海區(qū)域，需要更多的運輸設備，運輸距離也較大，大幅度拉高了項目的成本造價。

參考文獻：

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[3]中華人民共和國行業(yè)標準JTS167-4-2012.港口工程樁基規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[4]中華人民共和國行業(yè)標準JTS147-1-2010.港口工程地基規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2010.