某開敞式海域地名標志項目結構設計分析

詹坤豫 高迎歆

摘 要：以某開敞式海域地名標志項目為依托，通過計算分析在外海經受強風浪的水工建筑物的結構選型。

關鍵詞：開敞式 強風浪 地名標志

1.引言

傳統水工建筑物的建設應盡量選擇在自然條件良好的區域。此區域是天然形成，亦或者是通過工程改造，如建設防波堤等方式，使風浪條件能夠達到滿足水工建筑物正常使用的水平。然而，對于一些建設于遠離大陸的外海區域的建筑物，由于施工難度，施工成本等因素的影響，想通過防波堤等傳統結構改善風浪條件的方式不管從技術上還是經濟上都有較大難度。因此，只能通過水工建筑物本身的結構穩定性來抗衡不利風浪條件的影響。下面，將某開敞式海域地名標志項目為載體，通過計算分析選擇在極端風浪條件下保持穩定的最優結構。

2.項目概況

本項目為在某開敞式海域建造一座地名標識工程，建筑物的結構安全等級為Ⅱ級，設計使用期為30年。

3.自然條件

（1）風

項目所處海域熱帶海洋性季風氣候非常明顯。每年10月以后，從西伯利亞和內蒙高原吹來的冬季氣流不斷奔向中國南方海洋，所以此海域及諸島每年11月至次年3月盛行東風季風，平均風力5到6級，超過7級大風頻率達到5%。每年4月開始，此海域及諸島轉而受熱帶與赤道海洋氣團的影響，5月至9月盛行西南季風，平均風力4到5級，除受臺風影響的時候，海面相對平靜。7月到11月臺風最為強烈，這些臺風七成來自菲律賓以東的西太平洋面和加羅林群島附近洋面，破壞力巨大，俗稱“土臺風”。

西太平洋形成的臺風走向較為規律，“土臺風”則變化多端，難于預測，往往從生成到登陸的時間極短，防臺難度較大。此海域上生成的土臺風有15%能夠加強為臺風，瞬時風力可以達到11到12級風。

此海域的霧每年在北部沿海出現最早，始于頭年12月，12月至4月為霧季，2月至3月霧最多。

（2）設計水位

本工程有關的設計水位（當地理論最低潮面起算）如下：

設計高水位：1.75m

設計低水位：0.23m

極端高水位：2.52m

極端低水位：-0.26m

（3）波浪

本項目波浪要素采用項目所在地的水深對應的極限波高、波長和波周期：波高11.85m，波長135.5m，周期12.0s，并以此波浪條件作為波浪力的計算參數。

（4）工程地質

本次勘察已查明在勘探深度范圍內，根據地層巖性特征從上而下劃分為①珊瑚礁碎石共1個工程地質層。如下：

①珊瑚礁碎石（Q4m）：灰色、灰白色，飽和，松散-稍密，主要由珊瑚碎石塊及塊石組成，夾雜大量粉、細砂粒及貝殼，顆粒形狀不規則，大小不均勻，多孔易碎，分選性差。層頂標高12.60～12.80m，平均值12.70m；層厚25.10～26.30m，受孔深限制，該層未揭穿。

4.結構選型思路

項目所處位置屬于強風浪外海區域，沒有任何掩護，考慮采用傳統的高樁墩臺結構或者重力式結構。

初步考慮高樁墩臺結構方案，擬采用鉆孔灌注樁基礎，樁頂安裝預制混凝土墩臺。采用直徑為1.6m，樁長為38.2m的樁基，樁頂與預制混凝土墩臺固接的結構型式，經計算，結構在極端工況下可滿足抗彎抗拔的受力要求，因此，此方案在技術上可行的。然而項目所在地處外海區域，施工作業條件惡劣，普通鉆孔設備無法滿足作業要求，需采用深海鉆探石油的大型鉆孔設備，基于施工單位現有船機配置無法滿足這一施工要求，此方案未能得到業主及施工單位的認可，需考慮其他可行方案。

根據現有施工資源，對重力式結構方案進行重點分析，如下圖所示，本項目擬采用此斷面結構，為重力式墩柱結構。墩臺直徑2.7m，厚度1.5m，鋼筋混凝土（C40）結構。圓柱為？1800mm，高17.30m鋼護筒混凝土立柱，鋼護筒壁厚14mm，材質為 Q235B，下部嵌入基座。基座為10m直徑圓形的外切六邊形，基座高度為2m，正六邊形鋼筋混凝土結構，底座開六個直徑為1.9m的圓孔。底座上部疊放4層11m直徑圓形的外切六邊形的混凝土壓載塊體，高度為2m，每層壓載塊開六個直徑為1.9m的圓孔。安裝底座前先拋填塊石基床，拋石基床頂標高-14.80m，基床厚度根據現場情況確定。壓載塊體安裝完畢后向各個預留圓孔插入工字鋼，并往孔內灌澆水下混凝土。墩臺外圍設置1.05m高的不銹鋼欄桿。標識結構由碑體和基座組成。碑體平面尺度長2.012m，高1.024m，厚度為0.3m，碑體為天然花崗巖結構。之所以考慮此結構形式，源于結構主要受波浪力作用，柱型結構受力相對合理，結構所受波浪力主要與立柱的尺寸相關，直徑越小所受波浪力越小，但是結構自身的自重就越小，由此產生的穩定力矩相應減小。因此，就需要通過計算分析，確定立柱尺寸，使所受波浪力與機構自重達到平衡，極限風浪工況下依然能夠保持整體穩定。下面，將對計算的過程進行闡述。

5.結構計算分析

根據《港口與航道水文規范》（JTS145-2015）10.3.2.1，H/d<0.2且d/L》0.2或H/d>0.2且H/d》0.35時，整個柱體高度上的最大速度分力PDmax和最大慣性分力Ptmax可按下列公式計算：

PDmax和PImax對斷面的力矩MDmax和MImax分別按下列公式計算：

MImax—作用于柱體計算高度上的最大慣性力矩（kN·m）；

結合《重力式碼頭設計與施工規范》（JTS167-2-2009）2.5章節內容，對結構在極端風浪條件下進行抗傾抗劃穩定性計算以及地基承載力驗算，計算結果如表2、表3。

經計算，結構滿足在極端風浪條件作用下的保持穩定的要求。

6.結語

（1）本工程采用重力式墩柱結構滿足當地極端風浪條件下的受力要求，同時主體結構采用預制的型式，現有船機設備滿足對預制構件的起吊工作要求，現場現澆混凝土量較小，從而很好地降低了現場施工的難度。

（2）在各層混凝土塊安裝疊放完畢后將工字鋼插入預留孔洞，并灌入水下混凝土，從而達到加強結構整體性的作用。

（3）此結構設計的不足之處在于現場拋石量較大，在遠離石料料場的外海區域，需要更多的運輸設備，運輸距離也較大，大幅度拉高了項目的成本造價。

參考文獻：

[1]中華人民共和國行業標準JTS145-2015.港口與航道水文規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]中華人民共和國行業標準JTS167-2-2009.重力式碼頭設計與施工規范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]中華人民共和國行業標準JTS167-4-2012.港口工程樁基規范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[4]中華人民共和國行業標準JTS147-1-2010.港口工程地基規范[S].北京：人民交通出版社，2010.