游艇碼頭定位樁設計荷載計算研究

顧津瑋，趙一帆

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

近年來，隨著旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展和個性化娛樂服務的興起，游艇碼頭的建設需求呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢。

游艇碼頭的主體結構一般為浮體結構。在設計上，該結構形式與一般的固定式碼頭有本質(zhì)區(qū)別。而我國現(xiàn)行規(guī)范《游艇碼頭設計規(guī)范》（JTS 165-7-2014）[1]針對該類碼頭的荷載計算、結構計算方式等許多方面沒有明確的要求和規(guī)定，行業(yè)內(nèi)部對相關問題也尚無明確的共識。《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）[2]及《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015）[3]中的荷載計算主要針對傳統(tǒng)的大型船舶和不透水式碼頭結構，將其直接應用于游艇碼頭的設計還應進行進一步的驗證。

我國現(xiàn)有的許多游艇碼頭設計中，部分未明確的設計原則及荷載計算參考了澳大利亞標準《游艇碼頭設計指南》（AS 3962-2001）[4]和《海港工程設計手冊》[5]。澳大利亞標準《游艇碼頭設計指南》（AS 3962-2001）在國內(nèi)外有較多的應用經(jīng)驗，較為可靠；《海港工程設計手冊》中針對浮碼頭的設計和計算進行了專題研究。

本文以我國北方某港游艇碼頭項目的定位樁設計為例，對游艇碼頭計算中涉及的荷載計算進行討論，并對我國現(xiàn)行規(guī)范、澳大利亞標準和《海港工程設計手冊》的計算結果進行對比。

1 荷載對比及計算

采用定位樁作為錨碇結構的游艇碼頭，其浮橋結構與定位樁通過抱樁器相連接，浮橋結構的自重、浮力、人群荷載等豎向荷載不會傳遞到定位樁上。定位樁承受的荷載主要有：浮橋結構的波浪荷載、船舶及浮橋結構的風荷載、船舶及浮橋結構的水流荷載、船舶靠泊時的撞擊力及定位樁的波浪荷載。

1.1 浮橋結構的波浪荷載

對于浮橋結構上的波浪荷載，中國規(guī)范《游艇碼頭設計規(guī)范》及澳大利亞標準《游艇碼頭設計指南》中均給出了水平波浪荷載的參考值；而《海港工程設計手冊》針對浮式結構的波浪荷載提出了一套計算方法。

1）中國規(guī)范

《游艇碼頭設計規(guī)范》中指出，作用于浮箱的波浪力可參照《港口與航道水文規(guī)范》計算。《港口與航道水文規(guī)范》中沒有對下部透水的浮式結構上提出波浪荷載計算方法，只能參照直墻式建筑的波浪荷載進行計算，有研究[6]表明該計算結果明顯偏大。

另外《游艇碼頭設計規(guī)范》提出，資料不足時，水平波浪荷載可取 2 kPa。該荷載參考值未給出適用的波浪條件。

2）澳大利亞標準

《游艇碼頭設計指南》中提出，若不進行詳盡的分析，波浪荷載可按照2 kN/m的最小水平力進行計算。同時，指南提出該荷載參考值的適用條件為“小型船只港‘良好’波況標準”。該波況要求與波周期和波向有關，但其顯著波高hs最大不能大于0.6 m，對應的設計波高h1%最大不應大于0.7 m。對不滿足該要求的波浪條件，應對波浪荷載進一步分析計算。

3）《海港工程設計手冊》

《手冊》中給出了波浪橫向作用于躉船的波浪荷載計算公式：

式中：Hr為反射波高；H’為浮體前實際波高。

上述公式廣泛使用于浮式結構的波浪力計算上，亦有研究[6]通過與數(shù)值模型計算的結果對比，驗證該公式計算結果可靠、且稍大于數(shù)模結果，適用于游艇碼頭設計中。

1.2 船舶及浮橋結構的風荷載

對作用于船舶或結構的風荷載，中國規(guī)范《港工結構荷載規(guī)范》中分別給出了明確的計算公式；而澳大利亞標準《游艇碼頭設計指南》則是采用統(tǒng)一的計算公式并通過風阻力系數(shù)不同分別進行計算。

1）中國規(guī)范《港工結構荷載規(guī)范》

作用在船舶上的風荷載計算公式：

作用在結構上的風荷載計算公式：

2）澳大利亞標準《游艇碼頭設計指南》

作用在船舶或結構上的風荷載計算公式：

式中：CD為風阻力系數(shù)，CD取值參考表1。

表1 風阻力系數(shù)CD

4）風荷載遮擋系數(shù)

《游艇碼頭設計規(guī)范》中規(guī)定，相鄰泊位下風向游艇被遮擋時，其風荷載可取無遮擋時的30 %；澳大利亞標準《游艇碼頭設計指南》中規(guī)定，被遮擋的游艇，風荷載可取無遮擋時的20 %。

1.3 船舶及浮橋結構的水流荷載

對作用于船舶或結構的水流荷載，《游艇碼頭設計規(guī)范》、《港工結構荷載規(guī)范》和澳大利亞標準《游艇碼頭設計指南》給出了相似的計算公式：

僅在不同類型結構的水流阻力系數(shù)Cw有所區(qū)別，在此不再逐一羅列。

1.4 其余荷載及荷載組合

1）其余荷載

船舶靠泊時的撞擊力在中國規(guī)范《游艇碼頭設計規(guī)范》及澳大利亞標準中均沒有給出明確計算模式，且根據(jù)澳大利亞標準其不與風荷載、波浪荷載、水流荷載組合，本文中不對其進行更深入的探討。

定位樁上的波浪力在澳大利亞標準中沒有給出計算方法，而在《港口與航道水文規(guī)范》中有明確的計算公式，本文中不在贅述。

2）荷載組合

根據(jù)中國規(guī)范《碼頭結構設計規(guī)范》，承載能力極限狀態(tài)的荷載組合為（另需考慮可變作用的組合系數(shù)）：

根據(jù)澳大利亞標準，強度極限狀態(tài)的荷載組合為：

澳大利亞標準中特別指出，風荷載計算采用時距為30 s的風速，而中國規(guī)范采用時距為10 min的風速。根據(jù)相關研究[7]中提到的風速時距換算關系，10 min時距風速與30 s時距風速的換算系數(shù)為0.87。相應的，考慮組合系數(shù)后風荷載的換算系數(shù)為1.4×0.872≈1.06。對于相同的風況，在考慮時距不同和組合系數(shù)差異后，兩國規(guī)范對荷載組合后風荷載部分的結果相似，中國規(guī)范計算結果稍大。

1.5 定位樁荷載增大系數(shù)

浮橋結構與定位樁之間通過抱樁器相連，而抱樁器與定位樁必然留有間隙?？紤]抱樁器與定位樁間隙不同、定位樁及抱樁器施工偏差、樁位布置情況復雜以及浮橋剛度存在差異等因素，應對上述計算荷載予以適當增大。

中國規(guī)范《游艇碼頭設計規(guī)范》中提出，對于管徑為 0.5 m的鋼管樁，單樁受力增大系數(shù)介于1.05～1.60之間。

2 工程實例分析

2.1 項目概況

本文以我國北方某港游艇碼頭項目的定位樁設計為例，對游艇碼頭的荷載計算進行對比研究。該碼頭某結構段包含1條長度為69.5 m主浮橋，兩側長度為12 m和18 m的支浮橋呈梳狀布置。該碼頭錨碇結構為定位樁，并通過抱樁器連接。定位樁設置于支浮橋端頭處及主浮橋兩側泊位中間位置，如圖1所示。

圖1 某港游艇碼頭定位樁布置

該游艇碼頭設計船型為12 m游艇和18 m游艇。設計波高為0.9 m，波周期為2.9 s及9.1 s兩種；設計風速為26.84 m/s（風速時距為10 min）；水流速度為0.5 m/s。計算中取浮橋干舷為0.25 m，吃水為0.5 m。

2.2 計算結果及對比

1）浮橋結構的波浪荷載

表2 浮橋上的波浪荷載計算結果 kN/m

由計算結果可以看出，《海港工程設計手冊》的計算結果明顯大于《游艇碼頭設計規(guī)范》和澳大利亞標準給出的參考值。

本計算設計波浪條件遠超過澳大利亞標準中提出的適用條件，與1.1節(jié)中的分析結論相符；而《游艇碼頭設計規(guī)范》給出的參考值也應提出相應的適用條件。

2）船舶及浮橋結構的風荷載

設計條件中設計風速所采用的時距為10 min。按照澳大利亞標準要求，應采用30 s時距風速進行計算。而由1.4節(jié)分析可知，兩種規(guī)范設計風速的時距差異已在荷載組合分項系數(shù)中有體現(xiàn)。在本節(jié)分析中，均采用10 min時距的設計風速進行計算。

表3 船舶或浮橋的風荷載計算結果

由計算結果可以看出，《港工結構荷載規(guī)范》與澳大利亞標準計算結果基本相符。風荷載計算結果受中間參數(shù)取值影響明顯，兩國規(guī)范對結構的分類方式和參數(shù)取值均不同，可以認為計算結果中的誤差是可接受的。

3）船舶及浮橋結構的水流荷載

表4 船舶或浮橋的水流荷載計算結果

由計算結果可以看出，對于浮橋部分水流荷載的計算，中國規(guī)范《港工結構荷載規(guī)范》與澳大利亞標準計算結果基本相符；對于游艇所受水流荷載的計算，中國規(guī)范《游艇碼頭設計規(guī)范》的計算結果大于澳大利亞標準，更傾向于保守。

3 結 論

1）《游艇碼頭設計規(guī)范》和澳大利亞標準給出的波浪荷載參考值僅適用于較好的波浪條件；對于較大的波浪，推薦使用《海港工程設計手冊》中的公式進行計算。

2）中澳兩國規(guī)范對風荷載的計算公式較為類似，計算結果相近；對下風向被遮擋的游艇，中國規(guī)范的折減系數(shù)偏于保守。

3）中澳兩國規(guī)范對浮橋結構水流荷載的計算結果近似，而中國規(guī)范對游艇水流荷載的計算偏于保守。

4）中澳兩國規(guī)范對風荷載計算在設計風速時距和荷載組合系數(shù)上的規(guī)定不同，將兩者結合考慮，則最終結果相近，中國規(guī)范計算結果偏于保守。

5）對于游艇碼頭的定位樁計算，應考慮荷載增大系數(shù)。