淺析坐床式大圓筒碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

連長秋

摘 要：由于大圓筒碼頭結(jié)構(gòu)土壓力計算理論、相互作用的機理尚不明確，目前在現(xiàn)行規(guī)范中還沒有可信賴的計算公式，本文結(jié)合工程實例，通過現(xiàn)有規(guī)范和staad軟件空間建模，分析大圓筒結(jié)構(gòu)受力及配筋，可供同類碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：大直徑圓筒;臨時底板;土壓力;有限元

中圖分類號：U656.1? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0134-03

1引言

坐床式大圓筒結(jié)構(gòu)與其他常見的重力式碼頭結(jié)構(gòu)型式相比具有一定優(yōu)勢，受力條件好，曲面上的主動土壓力在理論上會比庫倫土壓力計算值小，但因該結(jié)構(gòu)與土體之間互相作用的機理非常復雜，還沒有成熟的經(jīng)驗，目前在現(xiàn)行規(guī)范中還沒有可信賴的計算公式，本文結(jié)合欽州港某工程實例，通過現(xiàn)行規(guī)范和staad軟件空間建模分析，較好地完成了大圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算及配筋，已順利通過專家評審。同矩形沉箱方案比較，混凝土量可減少35%以上，碼頭工程費用僅為沉箱方案的75%，具有較好的技術(shù)和經(jīng)濟效益。

2工程概況

本工程由南向北布置3個5萬噸級通用泊位，泊位總長757m，陸域總面積79hm2，陸域縱深約1100m，碼頭面高程6.30m。在規(guī)劃已確定其水、陸域位置的基礎(chǔ)上，綜合考慮與后續(xù)工程的銜接、裝卸工藝特點及工程地質(zhì)條件，本水工建筑物采用坐床式鋼筋砼大直徑圓筒結(jié)構(gòu)。本工程南端與旁邊碼頭銜接處已建有82.8m的延長段，該延長段共安放圓筒4個，該延長段卸荷板范圍內(nèi)鋪面已施工，同時在本工程北端需預留73.1m過渡段，因此本次需新建水工結(jié)構(gòu)長度為747.3m。

大圓筒外徑為18m，圓筒壁厚為0.34m，圓筒坐落在1m厚的拋石基床上，持力層選在中風化巖層。圓筒底標高為-13.60m，圓筒頂標高為3.0m，圓筒外趾懸挑長度為0.80m，圓筒設(shè)有臨時底板，底板與圓筒之間采用螺栓連接，待圓筒安裝就位后，由潛水員水下對稱拆開螺栓。圓筒內(nèi)要求回填砂及礫卵石反濾料，并且進行振沖達到中密及以上。圓筒上為現(xiàn)澆鋼筋砼卸荷板、胸墻和軌道梁，卸荷板為梁肋式結(jié)構(gòu)，連系梁橫向布置，正交連接胸墻、前后軌道梁等縱向構(gòu)件，每塊卸荷板設(shè)兩道橫向連系梁，間距為11.0m，梁寬0.8m，梁高3.3m?，F(xiàn)澆胸墻底標高為3.0m，頂標高為6.3m，頂?shù)讓挾葹?.9m，胸墻臨水懸寬0.8m，懸寬底高程下設(shè)至+1.8m，以供護舷安裝，胸墻內(nèi)部設(shè)置管溝，用于放置為船舶和工藝設(shè)備等供水、供電而鋪設(shè)的水管和電纜。每個圓筒上設(shè)置一段鋼筋混凝土胸墻，即胸墻的分段長度為18.98m，段間設(shè)20mm沉降縫，沉降縫采用泡沫板填充。

3設(shè)計條件

3.1自然條件

3.1.1設(shè)計水位

設(shè)計高水位：4.68m;設(shè)計低水位：0.40m;極端高水位：5.77m;極端低水位：-0.89m。

3.1.2設(shè)計波浪

除臺風影響期間外，本工程水域波浪很小，主要影響為小風區(qū)風成波和船行波。

3.1.3設(shè)計風速

按瞬時9級風，設(shè)計風速V=22m/s。碼頭裝卸機械設(shè)備對水工結(jié)構(gòu)的影響按照臺風期間的最大設(shè)計風速V=55m/s考慮。

3.1.4水流流速

本碼頭處落潮時最大流速為0.7m/s，漲潮時最大流速為0.54m/s。

3.1.5地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探結(jié)果分析，基巖上覆土層為人工填土、第四系全新統(tǒng)晚期海相沉積層為淤泥土、第四系全新統(tǒng)早期海陸相沉積層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、砂類土及晚更新統(tǒng)殘積土為粘質(zhì)粉土，下伏基巖為白堊系棕紅色泥質(zhì)粉砂巖。本工程拋石基床位于中風化巖層上，拋石基床底面與地基土頂面摩擦系數(shù)設(shè)計值取0.55。

3.2設(shè)計荷載

3.2.1永久作用

主要建筑物自重力、填料自重、填料土壓力等。

3.2.2可變作用

3.2.2.1均布荷載

碼頭前沿：標準值q1=20kPa（碼頭前沿25m范圍內(nèi)）。

前方堆場：標準值q2=120kPa（碼頭前沿25m范圍外）。

3.2.2.2機械荷載

流動機械：ZL50裝載機、25t輪胎式起重機、20t自卸車、Q25牽引車和平板車等。

25t-33m門機：4腿×8輪，軌距×基距=14m×10.5m，最大輪壓25t。

3.2.2.3船舶荷載

4計算方法及結(jié)果分析

4.1貯倉壓力[1]

圓筒高度與直徑之比接近1，圓筒內(nèi)填料為砂石時，沿圓筒壁深度各點的垂直壓力和側(cè)壓力值可按式（1）至（4）計算：

4.2土壓力

作用于圓筒外的土壓力，土壓力沿筒周邊或高度方向的分布性質(zhì)和大小，與直立面墻有所不同。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，圓筒墻后的主動土壓力，可按墻背為平面簡化計算，土與墻背之間的摩擦角可取1/3倍填料內(nèi)摩擦角標準值。一般是通過假定一個垂直平面來代替直徑D范圍內(nèi)的曲面上的計算。周錫礽[2]等通過一系列試驗研究對筒體外土壓力的計算進行了總結(jié)，該平面與圓筒軸線的距離x是根據(jù)圓筒曲面上的總側(cè)向土壓力與此假定垂直平面所作用的側(cè)向土壓力，兩者相等的原則推算而得x=（0.35～0.38）D。另外，由于圓筒的曲面效應(yīng)，曲面上的土壓力理論值比庫倫土壓力要小，且徑向土壓力沿著圓周逐漸遞增（或遞減）。在本實例計算中，認為筒后土壓力分布基本上呈三角形的分布趨勢，按庫倫土壓力理論值乘以一個折減系數(shù)k1，近似在0.60～0.80范圍內(nèi);地面均布荷載按矩形分布計算，均載產(chǎn)生的附加土壓力按庫倫土壓力理論值乘以一個折減系數(shù)k2，近似在0.40～0.60范圍內(nèi)。

主動土壓力可按式（5）計算：

墻后均載產(chǎn)生的土壓力可按式（6）計算：

4.3計算結(jié)果

碼頭結(jié)構(gòu)采用臨時有底的鋼筋砼薄壁大圓筒結(jié)構(gòu)。臨時底板是本實例中比較特別的一個設(shè)計思路，使得圓筒可利用浮船塢運輸至預定位置安裝，在缺少大型浮吊設(shè)備情況下很有優(yōu)勢。

碼頭結(jié)構(gòu)抗傾、抗滑、地基應(yīng)力等驗算采用豐海軟件計算，結(jié)果詳見表1至表2。圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算則采用staad軟件進行模擬計算（如圖2），筒體用板殼單元表示，筒底與拋石基床邊界條件簡化為水平向和豎向只添加位移約束，結(jié)果詳見表3。各作用效應(yīng)按《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS167-2018）等相關(guān)的規(guī)范條文，對實際可能在碼頭結(jié)構(gòu)上同時出現(xiàn)的作用，按不同水位情況下相應(yīng)的持久狀況、短暫狀況予以考慮組合。

通過計算分析可知，在外部荷載作用下，本文上述圓筒結(jié)構(gòu)尺寸滿足抗滑、抗傾覆、地基承載力等要求，并對鋼筋砼大圓筒受力較大的區(qū)域加強配筋，而不僅僅是滿足構(gòu)造配筋的要求，使得配筋更加合理，兼顧考慮安全性和經(jīng)濟性。

5 結(jié)語

本文結(jié)合工程實例，通過空間有限元軟件對圓筒結(jié)構(gòu)受力分析，得出圓筒環(huán)向和縱向的彎曲應(yīng)力均較小，且筒體的控制性彎矩是環(huán)向彎矩。圓筒結(jié)構(gòu)最大特點是曲殼結(jié)構(gòu)，筒內(nèi)無需設(shè)置隔墻，預制方便，可以做成大直徑，安裝工程量少，穩(wěn)定性能好，經(jīng)濟效益明顯，在港口工程建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1] JTS167-2018，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]周錫礽，王暉，韓桂軍.大直徑薄殼圓筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算[J].港工技術(shù)，1995（02）：22-30.

[3] JTS151-2011，水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].