關(guān)于水工工程靠船樁簇設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的方法

摘 要：水工工程中靠船樁簇經(jīng)受許多外力作用，其中包括各種橋面荷載和動(dòng)荷載，如何巧妙地使用正確的方法和守恒原理將樁簇的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算變得尤為重要，本文通過(guò)實(shí)際案例現(xiàn)場(chǎng)勘查測(cè)得數(shù)據(jù)資料，基于位移協(xié)調(diào)、力的平衡和能量守恒原理，通過(guò)在水平樁NL法計(jì)算中引入樁側(cè)土抗力群樁折減系數(shù)，采用Lagrange插值多項(xiàng)式擬合護(hù)舷廠家的反力、吸能與變形的關(guān)系曲線，對(duì)柔性靠船樁簇中鋼樁和護(hù)舷間水平力、能量分配進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)于水工工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究人員和實(shí)際工作人員均具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水工工程；靠船樁簇；技術(shù)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U653 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）35-0264-02

引 言

近年來(lái)，我國(guó)的港口工程發(fā)展迅速，靠船樁簇是實(shí)際應(yīng)用中最廣泛的水平承載群樁結(jié)構(gòu)，它所承受的內(nèi)力錯(cuò)綜復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工人員往往會(huì)在此問(wèn)題上困擾，且目前解決辦法缺乏統(tǒng)一性，整體行業(yè)處于無(wú)規(guī)則約束狀態(tài)，本文以實(shí)際碼頭為案例，介紹了經(jīng)受的荷載情況，并對(duì)計(jì)算靠船樁簇設(shè)計(jì)中內(nèi)力的計(jì)算方法進(jìn)行了探討，最終得出了一套實(shí)用的計(jì)算理論。

1 項(xiàng)目概況

某水上執(zhí)法機(jī)構(gòu)靠泊碼頭建造工作躉船、靠船樁簇、引橋等。工作躉船尺度46.5×12×2.0×0.9m，，靠船樁簇3×3×3m，棧橋15.22×2.5m，工藝荷載中恒載為結(jié)構(gòu)自重；人群荷載：①碼頭面荷載：q=5.32kN/m2；②棧橋面荷載：q=3.55kN/m2；流動(dòng)機(jī)械荷載：棧橋面不考慮流動(dòng)機(jī)械荷載。地震基本烈度：根據(jù)2015年頒布的規(guī)范《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015）對(duì)東莞地區(qū)的數(shù)據(jù)顯示，東莞市沙田鎮(zhèn)的抗震設(shè)防烈度是Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

2 荷載組合

2.1 承載能力極限狀態(tài)下的持久效應(yīng)組合

組合一：恒載+碼頭均布荷載+系纜力；

組合二：恒載+碼頭均布荷載+撞擊力；

組合三：恒載+碼頭均布荷載+擠靠力；

組合三：恒載+流動(dòng)機(jī)械荷載+均載+系纜力；

組合四：恒載+流動(dòng)機(jī)械荷載+均載+撞擊力。

2.2 正常使用極限狀態(tài)下持久狀態(tài)的長(zhǎng)期效應(yīng)（準(zhǔn)永久）組合

組合一：恒載+碼頭均布荷載+系纜力；

組合二：恒載+碼頭均布荷載+撞擊力；

組合三：恒載+碼頭均布荷載+擠靠力；

組合三：恒載+流動(dòng)機(jī)械荷載+均載+系纜力；

組合四：恒載+流動(dòng)機(jī)械荷載+均載+撞擊力。

2.3 承載能力極限狀態(tài)下的地震效應(yīng)組合

組合一：恒載+碼頭均布荷載+系纜力+地震荷載；

組合二：恒載+碼頭均布荷載+撞擊力+地震荷載。

2.4 承載能力極限狀態(tài)下的短暫效應(yīng)組合

組合：恒載+施工荷載。

3 水文地質(zhì)條件

3.1 設(shè)計(jì)水位（珠江基面）

以下設(shè)計(jì)水位從當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖?/p>

設(shè)計(jì)高水位（高潮10%）：3.24m；

設(shè)計(jì)低水位（低潮90%）：0.53m；

極端高水位（50年一遇）：4.32m；

極端低水位（50年一遇）：-0.18m。

3.2 設(shè)計(jì)波浪

本項(xiàng)目位于虎門(mén)以?xún)?nèi)河段，50年一遇設(shè)計(jì)波要素H1%小于1.5m。

3.3 海 流

在發(fā)生特大洪水時(shí)海流的水流速度最大會(huì)達(dá)到1.0m/s上下，在旱季時(shí)期或枯水期海流的斷面流動(dòng)速度最大可達(dá)到0.8m/s上下，海流的平均流速在0.5m/s上下。

3.4 地質(zhì)條件

對(duì)當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)狀做了實(shí)地勘探，勘探數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)挖孔、鉆孔過(guò)程中的土質(zhì)分析，工作人員將當(dāng)?shù)氐膸r石土層共分為四層，第一類(lèi)是人工挖土，代號(hào)為Qml，第二類(lèi)是海洋陸地相互沉積產(chǎn)生的巖層，代號(hào)為Q4mc，第三類(lèi)是經(jīng)過(guò)上千年的風(fēng)力侵蝕產(chǎn)生的巖層，代號(hào)為Qel，第四類(lèi)是紅褐色的沉積巖層，時(shí)間為白堊紀(jì)，代號(hào)為K2。

（1）人工填土（Q4ml，層號(hào)1）

素填土（層號(hào)①）

該層僅在陸域鉆孔ZK13中分布，層頂高程5.00m，層頂埋深0.00m，厚度5.90m。土性為素填土，由砂性土含碎石筑填，混凝土共1m位于上部結(jié)構(gòu)，素填土沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓實(shí)，因此整體結(jié)構(gòu)較差，無(wú)法承受上部高密度的荷載，且會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)性較強(qiáng)的問(wèn)題，土質(zhì)問(wèn)題嚴(yán)重，如果需要在水工工程中使用，則應(yīng)采取換填土的方法更新土質(zhì)。

（2）第四系海陸交互相沉積（Q4mc，層號(hào)2）

第四系海陸交互相沉積根據(jù)土質(zhì)物理性質(zhì)不同分為兩個(gè)土層：

淤泥、淤泥質(zhì)土（層號(hào)②1）

場(chǎng)地內(nèi)所有鉆孔均有分布，層頂高程-11.40～-6.50m，層頂埋深7.30～15.90m，厚度0.70～4.70m，平均厚度2.07m。土層顏色為灰黃色，土質(zhì)較為優(yōu)質(zhì)，整體粘聚性能強(qiáng)。標(biāo)貫試驗(yàn)10次，實(shí)測(cè)擊數(shù)N′=7～11擊，修正擊數(shù)N=4.7～8.1擊，平均6.7擊，標(biāo)準(zhǔn)值6.2擊。

（3）風(fēng)化殘積層（Q4el，層號(hào)3）

整個(gè)場(chǎng)地11個(gè)鉆孔中有分布，土性為泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化而成的粉質(zhì)粘土。

粉質(zhì)粘土（層號(hào)③）

粉質(zhì)粘土的層頂高程-12.60～-10.10m，粉質(zhì)粘土的層頂埋深10.20～15.50m，粉質(zhì)粘土的厚度0.80～4.30m，粉質(zhì)粘土的平均厚度1.84m。

（4）白堊系紅色碎屑沉積巖（K2，層號(hào)4）

白堊系紅色碎屑沉積巖的巖石底部基礎(chǔ)是沉積巖組成，巖石結(jié)構(gòu)較為細(xì)小，呈分層結(jié)構(gòu)顯示，其中泥質(zhì)粉砂巖較為多，風(fēng)華程度較為嚴(yán)重，整體土質(zhì)松散。

強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂質(zhì)巖（層號(hào)④1）

強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂質(zhì)巖在勘查過(guò)程中鉆孔的分布具有較大面積，層頂標(biāo)高-16.95～-11.20m，層頂埋深11.30～18.40m，厚度0.80～9.00m，平均3.38m。

中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粗砂巖（層號(hào)④2）

場(chǎng)地內(nèi)所有的鉆孔均有分布，層頂高程-25.6～-13.14m，層頂埋深12.70～25.40m，揭露厚度2.97～13.00m，平均7.13m。局部泥質(zhì)粉砂巖與粗砂巖互層，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)、粗粒結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 系船柱結(jié)構(gòu)計(jì)算

轄區(qū)管理船舶系纜力根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算，考慮風(fēng)和水流共同作用，按9級(jí)風(fēng)時(shí)船舶離開(kāi)碼頭，風(fēng)速V=22m/s，碼頭水流流速按1.0m/s計(jì)。

系纜力按《港口工程荷載規(guī)范》規(guī)范其計(jì)算公式為：

系纜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

船舶有效撞擊能量按下式計(jì)算：

研究船舶-結(jié)構(gòu)碰撞外部機(jī)理主要有三種途徑：解析法、數(shù)值解法和物理模擬方法。解析法是根據(jù)一般剛體動(dòng)力學(xué)中的動(dòng)量守恒定理求出碰撞過(guò)程中的動(dòng)能損失的一種方法，其具有代表性的是Minorsky理論。數(shù)值解法則是運(yùn)用簡(jiǎn)化的非線性有限元進(jìn)行的船舶與結(jié)構(gòu)的碰撞分析方法，其中Pedersen方法最具代表性。物理模擬方法是通過(guò)建立物理模型來(lái)分析船舶與結(jié)構(gòu)碰撞的方法。工作躉船通過(guò)柔性定位靠船樁與躉船拋錨相結(jié)合的系留方式固定，且兼靠20m級(jí)監(jiān)督船兩艘，故躉船系船力需考慮此種情況計(jì)算最大拉力。

系船柱滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.2 橡膠護(hù)舷結(jié)構(gòu)計(jì)算

船舶靠岸時(shí)的撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)船舶有效撞擊能量和橡膠護(hù)舷性能曲線及靠船結(jié)構(gòu)的剛度確定。當(dāng)船舶作用于第二、第三和第四層鋼聯(lián)系梁處時(shí)，可得出與船舶作用于第一層鋼聯(lián)系梁處時(shí)相類(lèi)似的結(jié)論，只是船舶撞擊不同層鋼聯(lián)系梁時(shí)水平位移與船舶撞擊力的關(guān)系式，定位墩結(jié)構(gòu)吸能量與船舶撞擊力的關(guān)系式以及船舶船舶撞擊力與船舶有效撞擊能量的關(guān)系式有所變化。

船舶有效撞擊能量按下式計(jì)算：

船舶靠岸撞擊力計(jì)算結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

船舶撞擊能量標(biāo)準(zhǔn)值為19.8kJ，選用D型300H×1500L橡膠護(hù)舷，反力適中，安裝、更換方便。

4.3 靠船簇樁結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）簇樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要承受船舶荷載，其結(jié)構(gòu)控制荷載為工作躉船船舶力。采用MIDAS有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間有限元計(jì)算。

（2）云圖模型計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

（3）計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表3所示）。

滿(mǎn)足要求。

5 總 結(jié)

本文在經(jīng)過(guò)對(duì)荷載分析、傳統(tǒng)方法總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了新的計(jì)算水工工程靠船樁簇內(nèi)力的方法，對(duì)其它方法做了總結(jié)，實(shí)際工程應(yīng)用中每個(gè)方法各有優(yōu)劣，應(yīng)按照不同的工程背景和施工條件選擇。

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收稿日期：2018-11-4

作者簡(jiǎn)介：余 學(xué)（1973-），男，工程師，本科，主要從事水工工程設(shè)計(jì)和施工工作。