游艇碼頭拉簧錨碇式浮橋結(jié)構(gòu)應力與運動響應分析

張瑞玉，馮海波

(中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東 廣州510290)

近年來，隨著我國游艇產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，游艇碼頭的設計與建造技術(shù)也呈現(xiàn)出跨越式的發(fā)展態(tài)勢。由于游艇船型及靠泊作業(yè)要求特殊，游艇碼頭一般采用浮橋結(jié)構(gòu)，波浪條件是浮橋結(jié)構(gòu)設計的控制性因素。針對浮橋結(jié)構(gòu)與波浪相互作用問題，國內(nèi)外學者從不同角度開展了一系列理論計算分析和模型試驗研究，其中對定位樁結(jié)構(gòu)的研究成果較為豐富[1-3]，但對波浪力作用下浮橋結(jié)構(gòu)自身的運動響應及結(jié)構(gòu)應力分析則相對較少。我國游艇碼頭的設計建設起步相對較晚[4]，相應的規(guī)范標準體系尚不成熟、不完善，工程經(jīng)驗積累還不夠豐富。目前，浮橋結(jié)構(gòu)荷載分析和構(gòu)件設計多參照港口工程結(jié)構(gòu)設計類規(guī)范和標準，實際工程采用最多的塑料浮箱及其配件大多依托生產(chǎn)廠家直接采購成品而缺乏依托工程環(huán)境特點的針對性系統(tǒng)分析。對于混凝土浮箱，尚無定型化產(chǎn)品，需要根據(jù)工程海區(qū)波浪作用下的運動響應及受力特點進行結(jié)構(gòu)分析與設計。初步分析表明，在波浪作用下，作為沉塊錨拉類型的拉簧錨碇式浮橋結(jié)構(gòu)會同時產(chǎn)生多種運動響應，其受力相對更復雜。本文依托工程實例，綜合歸納游艇碼頭結(jié)構(gòu)選型的一般思路和原則，利用Ansys有限元軟件，著重分析拉簧錨碇式混凝土浮箱結(jié)構(gòu)在波浪力作用下的運動響應和結(jié)構(gòu)應力特點。

1 工程概況

某海島游艇碼頭工程位于珠海市萬山群島某海島海灣內(nèi)，工程位置及平面布置見圖1，擬建21個游艇泊位，包括16個12 m游艇泊位和5個18 m游艇泊位。總體上風浪掩護條件較好，主要受來自灣口的NE向波浪影響，設計波浪要素見表1。

圖1 工程位置及平面布置

表1 50 a一遇強浪向(NE)設計波浪要素

2 結(jié)構(gòu)選型

2.1 浮體結(jié)構(gòu)選型

游艇碼頭一般選址在風浪掩護條件較好的天然水域或通過采取工程措施營造出滿足游艇碼頭建設和使用條件的水域環(huán)境。對于采用浮式結(jié)構(gòu)的游艇碼頭，浮體結(jié)構(gòu)大多采用塑料浮箱或混凝土浮箱，浮箱形式一般依據(jù)工程水域的水流和波浪情況確定，浮箱通過上部骨架連接形成浮橋。以塑料浮箱作為浮體的浮橋結(jié)構(gòu)抗橫浪能力，設計上一般按0.5 m波高等效波浪荷載控制，最大不超過1.0 m等效波高，混凝土浮箱則一般可按抵抗大于1.0 m波高等效波浪荷載作用考慮。

依托工程海區(qū)波浪條件不滿足《游艇碼頭設計規(guī)范》[5]對塑料浮箱式浮橋結(jié)構(gòu)及游艇系泊要求，需要考慮防護性工程措施。鑒于工程規(guī)模不大、泊位數(shù)量少，配套建設實體式防波堤不經(jīng)濟，本文結(jié)合工程水域環(huán)境及游艇泊位總體布置，考慮迎浪向設置一道兼作游艇浮橋的浮式防波堤，以改善游艇泊位區(qū)的掩護條件。同時，浮式防波堤和泊位區(qū)浮橋的浮體結(jié)構(gòu)均選用混凝土浮箱，上部采用輕型鋼結(jié)構(gòu)骨架，以進一步提高浮橋結(jié)構(gòu)整體抗浪能力。

2.2 浮橋錨碇結(jié)構(gòu)選型

浮橋錨碇結(jié)構(gòu)選型主要取決于工程地質(zhì)條件。依托工程所在海島屬花崗巖丘陵山地，勘察揭露地層從上而下分布礫砂、強風化花崗巖及中風化花崗巖，地層分布較簡單，基巖面覆蓋層薄，2～5 m礫砂層以下即可見硬質(zhì)花崗巖層。根據(jù)過往類似工程經(jīng)驗，浮橋錨碇結(jié)構(gòu)可采用定位樁或沉塊錨拉式駐留系統(tǒng)，如采用打入式定位樁，則打樁難度大、施工質(zhì)量難以保證；如采用灌注型嵌巖樁，則工序復雜、工期長、環(huán)保性差、工程造價高；如采用常規(guī)沉塊錨鏈系泊系統(tǒng)，浮橋運動幅度控制性較差，游艇系靠作業(yè)安全及人員上下行走舒適度較差；如采用拉簧錨碇式駐留系統(tǒng)，則對浮橋運動幅度控制性相對較好，實施難度相對較低。錨碇方式的綜合比較見表2。

表2 游艇碼頭浮橋錨碇方式

綜合以上分析，拉簧錨碇式混凝土浮橋結(jié)構(gòu)較適合依托工程海區(qū)的風浪條件和地質(zhì)條件，結(jié)構(gòu)設計的重點在于波浪作用下拉簧錨碇式混凝土浮橋的結(jié)構(gòu)應力和運動響應分析。

3 波浪荷載

根據(jù)《游艇碼頭設計規(guī)范》，對作用于浮箱的波浪力可參照行業(yè)標準《港口與航道水文規(guī)范》[6]計算，資料不足時，水平波浪荷載可取2 kPa。一般而言，掩護情況良好，波高小于0.5 m時，水平波浪荷載取2 kPa是符合要求的。但本工程處于外海島嶼，波浪條件較差，即使經(jīng)過浮式防波堤的削減，波高仍然超過了0.5 m，此時，作用于浮橋上的波浪荷載仍按2 kPa考慮不盡合理，需要對波浪力進行重點分析。

浮橋在水上漂浮時，可近似于方形船體計算。參考波浪橫向作用于躉船的情況[7]，混凝土浮橋會引起波浪的局部反射，相較于作用在直墻式建筑物，浮橋結(jié)構(gòu)正面的合成波高將既大于入射波高，又小于波浪遇直立墻發(fā)生完全反射時的立波波高，更加符合實際情況。浮橋前方局部反射系數(shù)Kr公式為：

(1)

浮橋結(jié)構(gòu)吃水范圍內(nèi)局部反射波高Hr公式為：

Hr=KrH

(2)

反射波與入射波合成后波高Hd公式為：

Hd=H+Hr

(3)

在計算波壓力時，將合成波看成由假想入射波完全反射形成，即Hd=2H′。水底處波壓強pd公式為：

(4)

水面處波壓強p0公式為：

(5)

注：p1為浮橋側(cè)面頂面處波壓強；p0為靜水面處波壓強；p2為浮橋側(cè)面底部波壓強；pd為水底處波壓強；η′為合成波波峰在靜水面以上的高度；H為原始入射波波高；Hd為原始入射波與反射波的合成波波高；h0為波浪中心線對靜水面的超高值。

根據(jù)計算結(jié)果可知，作用于混凝土浮橋結(jié)構(gòu)上的波浪力按結(jié)構(gòu)高度簡化為平均波壓強為11.53 kPa。實際情況中，由于浮橋在波浪沖擊下會發(fā)生一定水平位移，而計算中沒有考慮水平位移對波浪的緩沖削弱，故計算結(jié)果是偏保守安全的，可以用此波浪荷載進行拉簧錨碇系統(tǒng)的設計。當波浪條件較差時(波高超過0.5 m)，計算所得的波浪荷載超過《游艇碼頭設計規(guī)范》中水平波浪荷載參考值2 kPa數(shù)倍，直接用規(guī)范中的參考值來進行工程設計將存在安全隱患。

4 波浪作用下的拉簧錨碇式混凝土浮橋結(jié)構(gòu)應力分析

在對混凝土浮橋結(jié)構(gòu)進行設計時，應對結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)力進行分析，根據(jù)應力情況進行配筋設計。本文基于Ansys軟件建立混凝土浮橋結(jié)構(gòu)模型，利用ANSTOASAS命令輸出ASAS文件，通過AQWA-WAVE模塊生成波浪荷載，施加在結(jié)構(gòu)模型中。

取一個典型結(jié)構(gòu)段進行建模，浮橋結(jié)構(gòu)尺寸見圖3，結(jié)構(gòu)段長10 m、寬3 m、高1.21 m，隔板及側(cè)壁厚度為0.12 m，端板厚度0.15 m，結(jié)構(gòu)段端部四角設有連接井，用于結(jié)構(gòu)段相連和穿孔設置拉簧。結(jié)構(gòu)建模和網(wǎng)格劃分見圖4，混凝土浮橋箱體材料為C50混凝土，內(nèi)部填充材料為聚苯乙烯泡沫塊體，密度17 kg/m3，吸水率≤5%。

圖3 混凝土浮橋結(jié)構(gòu)縱斷面(單位：mm)

圖4 混凝土浮橋結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)學模型的計算中主要考慮50 a一遇波浪荷載作用的工況，采用表1中極端高水位H1%設計波浪進行計算，得到結(jié)構(gòu)受波浪荷載彎矩云圖見圖5。可以看出，對于無底結(jié)構(gòu)，拉簧井位于結(jié)構(gòu)段四角，故結(jié)構(gòu)四角附近的內(nèi)力和變形均較小，最大彎矩發(fā)生在結(jié)構(gòu)段中間的側(cè)壁底部，即三邊支承的自由邊，最大彎矩為6.62 kN·m。

5 波浪作用下的拉簧錨碇式混凝土浮橋運動響應分析

以拉簧作為錨碇方式的浮橋在波浪作用下的運動幅度是較大的[8](與定位樁式游艇碼頭相比)，可能會同時發(fā)生橫蕩、縱蕩、橫搖、縱搖及升沉運動等，而游艇碼頭一般通過活動聯(lián)系橋搭接的方式與陸域連通，過大的位移會影響搭接的安全性和使用舒適性。因此，需要對極端波浪條件下的浮橋運動響應進行分析。

本工程采用6股/組的超高分子量聚乙烯高彈性拉簧對浮橋結(jié)構(gòu)進行錨拉，每股最小破斷力為15 kN，每組拉簧長度5 m，錨拉垂直角度為10°(設計低水位)～25°(設計高水位)，水平投影線與浮橋結(jié)構(gòu)軸線夾角40°～45°。利用ANSYS-AQWA軟件建立水動力分析模型，通過限制結(jié)構(gòu)橫向位移來模擬結(jié)構(gòu)段四角的張緊式錨拉，直線結(jié)構(gòu)段之間鉸接，主支浮橋連接“T”形部位固接，環(huán)境荷載考慮表1中的極端高水位波浪荷載?；炷粮蝈^碇連接模型見圖6，波浪沖擊過程中浮橋的主要運動量見圖7，重點關(guān)注穩(wěn)態(tài)階段的運動情況。

圖6 混凝土浮橋錨碇連接模型

圖7 浮橋運動量隨時間變化過程

將各維度各歷時的運動幅值進行總結(jié)能夠發(fā)現(xiàn)，波浪橫向入射時主要引起浮橋橫蕩、橫搖、升沉3個自由度的運動。各維度運動極值見表3。其中以橫蕩運動最為劇烈，最大橫向位移幅值達到0.702 m，在設計過程中應予以充分關(guān)注；其次，升沉運動幅值也較為明顯，但此項應與定位樁等其他錨碇方式的游艇碼頭相似；另外，橫向波浪并未激起浮橋縱蕩、縱搖和首搖3個自由度的強烈運動響應，這與常規(guī)分析結(jié)果一致，說明模擬結(jié)果具有較高可信度。

表3 極端波浪荷載作用下浮橋結(jié)構(gòu)運動量最大值

6 結(jié)論

1)游艇碼頭浮橋結(jié)構(gòu)應根據(jù)不同工程環(huán)境選擇適合的浮箱形式，風浪條件較差時宜選擇混凝土浮箱。

2)對于地質(zhì)巖面以上覆蓋層很薄甚至無覆蓋層時，浮橋的定位駐留采用拉簧錨碇系統(tǒng)方式，使用性和經(jīng)濟性綜合效果相對較好。

3)波浪超過0.5 m時則宜采用三維有限元數(shù)值分析手段重點分析浮橋結(jié)構(gòu)的波浪響應特性，不宜直接采用《游艇碼頭設計規(guī)范》中推薦的水平波浪荷載值2 kPa進行設計。

4)作為薄壁型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土浮箱不宜直接套用現(xiàn)行港口工程結(jié)構(gòu)方面的設計規(guī)范進行設計，宜結(jié)合工程建設環(huán)境特點采用三維有限元數(shù)值法進行針對性的結(jié)構(gòu)應力分析。

5)本文分析結(jié)果表明，本工程的浮橋駐留方式選用拉簧錨碇式，使用舒適度上優(yōu)于常規(guī)沉塊錨鏈式，建造難度和造價上優(yōu)于定位樁式。但波浪作用仍可能引起浮橋結(jié)構(gòu)較大幅度的運動響應，在平面設計時應進行充分考慮，同時，接岸聯(lián)系橋與浮橋搭接處應預留足夠空間，確保極端情況下不會因浮橋過大的位移引起聯(lián)系橋滑落。