海洋環境大直徑深長樁基鋼護筒設計作用組合的計算與分析

馮忠居，袁楓斌，李孝雄，尹洪樺，張福強，劉 闖，馬曉謙，吳敬武，孫平寬，蒙超榮

1. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064

2. 海南省交通運輸廳，海南 海口 570000

3. 海南省公路勘察設計院，海南 海口 570000

4. 中國公路工程咨詢有限公司，北京 100097

海洋環境大直徑深長樁基鋼護筒設計作用組合的計算與分析

Calculation and Analysis of Action Combination for Design of Steel Casing of Large-diametered Deep Pile Foundation in Marine Environment

馮忠居1，袁楓斌1，李孝雄1，尹洪樺1，張福強2，劉 闖2，馬曉謙3，吳敬武4，孫平寬4，蒙超榮1

1. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064

2. 海南省交通運輸廳，海南 海口 570000

3. 海南省公路勘察設計院，海南 海口 570000

4. 中國公路工程咨詢有限公司，北京 100097

0 引 言

隨著跨海橋梁日益增多，大直徑橋梁樁基及其相關設施的作用組合計算逐漸成為熱點問題。近年來，相關專家對海洋環境下橋梁墩柱承受的風荷載、波浪荷載、水流力等的計算進行了相關探索與總結[1]。1983年Troesch等人對1：115的半潛式海洋平臺模型進行了風洞試驗，計算了作用在其上的風荷載。時軍[2]利用簡諧波疊加法計算了模型的脈動風荷載，得到了風作用時段內模型構件的瞬時風荷載，并對其做了統計分析。陳小波等[3]基于Morison方程和流函數理論計算了近海風機非線性波浪荷載，并研究了波浪自由面對近海風機非線性波浪荷載的影響，同時探討了不同樁徑下淺水區非線性波浪荷載的特性。劉德輔等[4]在大量試驗和海上實測資料的基礎上，對Morison公式中的速度力系數、慣性力系數的取值進行了不確定性分析，得到了相應的協方差，該值對海洋工程概率設計及可靠性分析具有重要意義。李玉成[5]探討了將環境條件差異而造成水動力系數的變化歸化為Kc數的恰當定義和不規則波、特征波的恰當選用，從而得到規則波與不規則波、純波與波流共存不同條件下歸一化的水動力系數Cd、Cm與Kc數的相關結果。 張建龍[6]運用流場分析軟件Fluent對洪水期水流形態下橋梁下部樁柱結構進行三維流場數值模擬分析，得到了超臨界區雷諾數水流形態情況下單樁以及不同樁凈距與樁直徑之比（L/D）下串聯雙樁和串聯三樁的樁周水流特征。 陳云鶴等[7]考慮錨鏈受到的水流力和彈性變形的影響因素，將各點的靜力平衡方程相互疊加，建立了錨鏈力方程并進行了算例的計算。姚文偉等[8-10]重點討論了承臺對樁基上波浪力的影響，給出了承臺下樁柱的波浪力變化規律，同時針對某典型樁基結構布置形式給出了承臺效應系數和群樁系數隨相對水深、無量綱承臺半徑、相對吃水深度等參數的變化規律。

由于海洋環境中的橋梁樁基礎均采用鋼護筒，因此，在樁基成樁前綜合分析鋼護筒承受的多種作用力組合是確保樁基礎順利施工的關鍵。

1 工程概況

鋪前大橋跨越鋪前灣，于后溪村西北角進入北港島，沿島西北部展線，二次跨越鋪前灣，在塔市落地，穿過養殖場后，同海口市規劃的江東大道二期相接，路線總長5.597 km，其中鋪前大橋為該項目的控制性工程，全長3.959 km。鋪前大橋為（230 m+230 m）兩跨獨塔鋼箱梁斜拉橋，其中主墩基礎采用2個分離式承臺，在單個承臺下呈行列式布置，每個承臺下采用16根D4.3 m、D4.0 m鋼管復合樁，左側樁長38 m，右側樁長29 m，按端承樁設計，樁尖持力層為微風化花崗巖，并嵌入微風化巖層不小于13 m。鉆孔樁采用C35混凝土，單樁混凝土設計方量為511.7 m3（388.9 m3），鋼管與鋼筋混凝土共同組成樁基礎結構主體共同受力。主筋為HRB400的Φ36 mm鋼筋，主筋間采取滾扎直螺紋連接，單根樁最大鋼筋籠重85 t。主墩鉆孔樁具體參數見表1。

（1）波向。以偏北向浪為主，N—NNE—NE方向的波浪出現率為64%，其中NNE向浪最多，占29%；其次為N向和NE向，分別為18%和17%；其他方位波浪出現較少，各向頻率均小于5%。累年各波向頻率統計見表3。

（2）波高。海域波浪平均高度以NNE、NE和W向為大，為0.7 m，其余各向平均波高較小，為0.3～0.6 m。最大波高以N向最大，達3.5 m；而SSW、ESE和SE向較小，為0.6～1.0 m。累年各波向平均波高、最大波高統計見表4。

表1 主墩鉆孔樁具體參數

表2 累年月風浪、涌浪頻率 %

表3 累年各波向頻率 %

表4 累年各波向平均波高、最大波高 m

（3）周期。偏北向浪周期較長，為3.7～4.0 s，偏南向浪周期較短，為2.7～3.3 s。累年月平均波高、最大波高、月平均周期、最大周期見表5。

表5 累年月平均波高、最大波高、平均周期、最大周期

根據2年波浪觀測資料，按港工規范要求推算出50年重現期的波浪要素：波高（H4%）為3.4 m，周期為6.6 s；20年重現期的波浪要素：波高（H4%）為3.2 m，周期為6.3 s。

2 鋪前大橋大直徑深長樁基鋼護筒海洋環境作用的計算

當鋼護筒埋置在軟土層中，僅考慮保護井壁的作用時忽略海水浮力以及由地層自重產生的樁側土壓力，鋼護筒的受力狀態如圖1所示。

圖1 鋼護筒受力狀態

鋪前大橋大直徑鋼護筒所承擔的橫向荷載主要與所處的海洋環境有關，包括風力荷載、波浪荷載、洋流荷載、冰荷載等荷載的組合。海洋環境水平荷載組合的抗力為地基對護筒的橫向支承力。本文主要對鋪前大橋大直徑鋼護筒所承擔的橫向荷載進行計算分析。

大直徑鋼護筒所受海洋環境荷載組合的計算公式為

式中：Hmax為護筒最大橫向荷載；FD為平均風荷載；f為波浪荷載；P為冰荷載；F1為水流力。

綜上所述，核磁共振診斷膝關節半月板損傷的效果顯著，通過膝關節半月板形態、信號改變等判斷損傷程度，為臨床診治提供依據。

2.1 平均風荷載計算

鋪前大橋鋼護筒承受的平均風荷載為

式中：由于鋼護筒高度小于30 m，風振系數βz近似取1；鋼護筒表面為圓柱形，風荷載體型系數μS取0.8；鋪前大橋鋼護筒所處區域為B類場地，風壓高度變化系數μz取1；查《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2001）可知，海南地區海口市基本風壓ω0為0.75 kN?m－2。最后計算可得FD為0.6 kN?m－2。

2.2 波浪荷載計算

采用Morison法對鋪前大橋鋼護筒承受的波浪荷載進行計算。計算中假定鋼護筒尺寸相比于波浪長度較小，并不影響波浪場。波浪荷載由2部分組成，即慣性力和速度力。其中迎波面寬度與波長比值大于0.2，故采用流體的繞射理論計算，計算中認為鋼護筒全寬上流體壓力梯度不變，速度分力PD與慣性分力P1的計算公式分別為

其中：CD為速度力系數，CM為慣性力系數，綜合文獻資料，選取颶風Edith期間實測資料計算所得CD、CM分別為0.77、1.53；為海水容重，經現場實測取1 032 kg?m－3；H為計算波高，按港工規范要求推算出的50年重現期的波浪要素，波浪（H4%）為3.4 m；D為鋼護筒迎波面寬度，為4.3 m；A為鋼護筒截面面積，為1.95 m2。計算可得PD為19.75 kN，P1為17.80 kN。

2.3 水流壓力計算

鋪前大橋大直徑鋼護筒承受水流力為

式中：k為形狀系數，取1；r為海水容重，經現場實測取1 032 kg?m－3；A為構件截面面積，取37.68 m2；v為水流流速，經現場測試取0.9 m?s－1；g為重力加速度，取9.8m?s－1。計算可得F1為1.607 kPa?s－1。

3 作用組合計算

對鋪前大橋大直徑鋼護筒進行承載能力極限狀態計算，選用基本作用組合類型，即永久作用標準值效應與可變作用標準值效應的組合，其表達式為

1.1 ，其余可變作用取1.4。

對風荷載、波浪荷載及水流壓力進行作用組合計算，得到海洋環境大直徑深長樁基鋼護筒承載能力極限狀態的作用效應組合設計值為43.59 kN?m。

4 結語

本文依托鋪前大橋實體工程對海洋環境特大型橋梁大直徑深長樁基鋼護筒荷載組合進行計算，主要結論如下。

（1）規范中給出的風荷載計算方法的準確性主要取決于大直徑鋼護筒所處區域場地土類型的判別及基本風壓值的選取。

（2）采用Morison法對鋪前大橋鋼護筒承受的波浪荷載進行計算，計算結果表明，鋪前大橋大直徑鋼護筒承受的波浪荷載中速度分力大于慣性分力，超出了11%。由此可見，海水波浪速度大小對大直徑鋼護筒所承受的波浪荷載影響較大。

（3）海洋環境中，鋼護筒所承受的橫向荷載更加復雜，影響因素更加多樣化，包括風力荷載、波浪荷載、洋流荷載等。為防止鋼護筒發生形變，提高鋼護筒抵抗橫向變形的能力，可在第一節頂部設置環鋼帶，并在之后的管節設置剪力環。

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[3] 陳小波,李 靜,陳健云.基于流函數理論的近海風機非線性波浪荷載計算[J].湖南大學學報:自然版,2011,38(3): 22-28.

[4] 劉德輔,王 超,林 欣.波浪力系數 Cd、Cm的不確定性分析[J].中國造船,1991(2):31-39.

[5] 李玉成. Morison方程水動力系數歸一化的探討[J].水動力學研究與進展(A輯), 1998(3): 329-337.

[6] 張建龍.沖刷后結合洪水期水流力對連續梁橋進行靜力與地震響應分析[D].西安:長安大學,2015.

[7] 陳云鶴,趙 晶.考慮水流力作用的錨鏈力計算方法[J].解放軍理工大學學報:自然科學版,2016,17(2): 116-120.

[8] 姚文偉.樁基結構物波浪力的工程計算方法[D].上海:上海交通大學,2009.

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海南省交通運輸廳科技計劃項目（HNZXY2015-045R）