游艇碼頭定位樁計算的初步探討

蘇長南 劉捷 龍正如 廣東粵電陽江海上風電有限公司

在游艇碼頭設(shè)計中，需要通過計算定位樁的水平荷載以確定定位樁的樁徑及樁間距。定位樁的水平荷載主要是由浮橋以及靠泊游艇受風、水流和波浪作用產(chǎn)生。《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》（JTS165-7-2014）[1]給出了風荷載，水流力和波浪力的計算方法，但未明確定位樁的具體計算內(nèi)容。本文以《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》（JTS165-7-2014）[1]為基礎(chǔ)，參考澳大利亞《游艇碼頭設(shè)計指南》（AS3962-2001），以某游艇碼頭工程計算為例，對定位樁的計算進行了詳細分析。

1.某游艇碼頭浮橋概況

浮橋標準段立面圖如圖1。

2.定位樁計算荷載組合

根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-7-2014)第7.3.3條，浮橋、定位樁的承載能力、構(gòu)件承載力等應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計；混凝土構(gòu)件的抗裂或限裂、構(gòu)件的變形和結(jié)構(gòu)的位移等應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計。

根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-7-2014) 第7.3.5條，作用效應(yīng)組合的原則及分項系數(shù)應(yīng)按現(xiàn)行國家標準《港口工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》（GB50158）有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。由于這條規(guī)定說法較籠統(tǒng)，可操作性不強，實際設(shè)計過程中參照澳大利亞《游艇碼頭設(shè)計指南》（AS3962-2001）的第4.2條規(guī)定，由于環(huán)境荷載對游艇碼頭設(shè)計的關(guān)鍵性，正常使用極限狀態(tài)通常不是決定性的。對于浮筒需特別考慮，浮筒穩(wěn)定性分開處理。

（1）對于定位樁。

a.風荷載（極限風速率）+1.5×水流力+1.5×波浪力

b.若洪水或巨涌可能發(fā)生：

0.8×風荷載（極限風速率）+1.25×水流力+1.25×最高水位下波浪力

（2）對于游艇碼頭。

風荷載（極限風速率）+1.5×水流力+1.5×波浪力+1.5×波浪運動的垂直作用

（3）船只沖擊。

1.25×由船只沖擊產(chǎn)生的荷載（沒有環(huán)境荷載）

3.定位樁計算

定位樁受到的水平力主要是浮橋以及靠泊游艇受風作用產(chǎn)生的水平力;浮橋以及靠泊游艇受水流作用產(chǎn)生的水平力;浮橋以及靠泊游艇受波浪作用產(chǎn)生的水平力。此外，游艇靠泊時產(chǎn)生的撞擊力也會通過浮橋作用在定位樁上，游艇靠泊時的撞擊力標準值可根據(jù)游艇有效撞擊能量、防沖設(shè)施性能曲線和浮橋結(jié)構(gòu)的剛度確定。由于游艇需要較好的風浪條件才能靠泊，在允許游艇靠泊的工況下，游艇靠泊時的撞擊力及風、浪、流產(chǎn)生的水平力的組合對定位樁受到的水平力不起決定性的作用，因此本文不考慮允許游艇靠泊的工況下定位樁的水平力計算。

（1）浮橋風荷載計算。浮橋?qū)?m，長度方向每隔12m有2根定位樁。因為浮橋與船只的特點相似，所以計算浮橋風荷載時，把浮橋等效簡化成方形船舶來計算。由于浮橋干舷高度一般在0.3～0.6m范圍內(nèi)，取浮橋極限受風高度為0.6m（浮橋水流力計算時，浮橋極限吃水取為0.6m，實際上浮橋極限吃水和受風高度不會同時為0.6m，因此，浮橋受水流力和風荷載作用的計算偏于安全）。根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-7-2014)，作用于游艇上的風荷載可按現(xiàn)行行業(yè)標準《港口工程荷載規(guī)范》的規(guī)定計算。浮橋等效簡化船舶風荷載計算如下：

圖1 浮橋標準段立面圖

式中：

FXW，F(xiàn)yW—分別為作用在船舶上的計算風壓力的橫向和縱向分力（kN）；

AXW，AyW—分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積（m2）。浮橋橫向受風面積AXW=12×0.6=7.2m2。浮橋縱向受風面積AyW=2×0.6=1.2m2；

VX，VY—分別為設(shè)計風速的橫向和縱向分量，船舶在超過九級風（最大風速為22m/s）時離碼頭到錨地避風，因此控制風速VX，VY=22m/s。

ξ1—風壓不均勻折減系數(shù)。取1.0。

ξ2—風壓高度變化修正系數(shù)。取1.18。

因此，浮橋風荷載，F(xiàn)XW（浮橋）=73.6×10-5×7.2×22×22×1.0×1.18=3.026kN，F(xiàn)YW（浮橋）=49.0×10-5×1.2×22×22×1.0×1.18=0.336kN

（2）靠泊游艇風荷載計算。根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-7-2014)，作用于游艇上的風荷載可按現(xiàn)行行業(yè)標準《港口工程荷載規(guī)范》的規(guī)定計算。21m游艇風荷載計算如下：

式中：

FXW，F(xiàn)YW—分別為作用在船舶上的計算風壓力的橫向和縱向分力（kN）；

AXW，AYW—分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積（m2）。根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-7-2014)附錄A表A.0.1-2，分別取80和25。

VX，VY—分別為設(shè)計風速的橫向和縱向分量，船舶在超過九級風（最大風速為22m/s）時離碼頭到錨地避風，因此控制風速VX，VY=22m/s。

ξ1—風壓不均勻折減系數(shù)。取1.0。

ξ2—風壓高度變化修正系數(shù)。取1.18。

因此，游艇風荷載FXW（游艇）=33.6kN，F(xiàn)YW（游艇）= 7.0kN。

考慮到定位樁間距12m，而游艇長度為21m，因此將游艇風荷載按比例分配到兩個定位樁上，即

（3）浮橋水流力計算。浮橋?qū)?m，長度方向每隔12m有2根定位樁。因為浮橋與船只的特點相似，所以計算浮橋水流力時，把浮橋等效簡化成方形船舶來計算。由于浮橋干舷高度一般在0.3～0.6m范圍內(nèi)，取浮橋極限吃水深度為0.6m，水流方向與浮橋垂直。根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-7-2014)，浮橋水流力計算如下：；

式中：

F— 作用于游艇上的水流力（kN）；

Cd—水流阻力系數(shù)；取0.8

V—水流速度（m/s）；取1.0

A—游艇水下部分垂直于流方向的投影面積（m2）。12m浮橋標準段內(nèi)布置了6組12個浮箱，因此，A=6×1.4×0.6=5.04m2。

因此，浮橋水流力F水（浮橋）=0.8×1×1×5.04=4.03kN

（4）靠泊游艇水流力計算。靠泊游艇按最大設(shè)計船型21m計算，水流方向與游艇縱向垂直。根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-7-2014)，游艇水流力計算如下：F=C dV2A；

式中：

F— 作用于游艇上的水流力（kN）；

Cd—水流阻力系數(shù)；取0.8

V—水流速度（m/s）；取1.0

A—游艇水下部分垂直于流方向的投影面積（m2）。按21m游艇計算，由于定位樁間距是12m，投影面積取為12×1.6=19.2。

因此，靠泊游艇水流力F水（游艇）=0.8×1×1×19.2=15.36kN

（5）浮橋波浪力計算。設(shè)計游艇碼頭港池時，一定要限制波浪高度，以確保游艇安全停泊并保護船只安全。

根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-7-2014)第5.3.1條，岸式泊位的系泊允許波高應(yīng)滿足：橫浪H1%≤0.5m（50年一遇）；第7.4.6條，作用于浮箱的波浪力可參照現(xiàn)行行業(yè)標準《海港水文規(guī)范》（JTS 145-2-2013）計算，資料不足時，水平波浪荷載可取2kPa。

浮橋極限吃水取為0.6 m，12m 浮橋標準段投影面積為1.4×0.6×6=5.04m2因此，F(xiàn)波（浮橋）=2×5.04=10.08kN

（6）靠泊游艇波浪力計算。靠泊游艇取最大設(shè)計船型21 m游艇計算，游艇最大吃水1.6 m，在12 m浮橋標準段內(nèi)游艇投影面積為12×1.6=19.2m2，因此，F(xiàn)波（游艇）=2×19.2=38.4kN

（7）樁綜合計算。

a.只考慮環(huán)境荷載時，作用在單樁上的水平荷載為

b.當考慮船舶荷載時，可不考慮浮橋的環(huán)境荷載。船舶荷載包含系纜力、擠靠力和撞擊力。系纜力和擠靠力不會同時存在，且擠靠力（由風和水流力產(chǎn)生）比系纜力大，因此，游艇只考慮環(huán)境荷載影響下的擠靠力和撞擊力。由于撞擊力由波浪作用產(chǎn)生，撞擊力和擠靠力也不會同時存在。因此船舶荷載下樁的水平荷載取擠靠力和撞擊力二者的大值。

①擠靠力。

由于，《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》(JTS165-7-2014)中只給出船舶受風投影面積，沒有給出與船舶受風投影面積相對應(yīng)的吃水，這樣兩項取最大疊加與澳大利亞《游艇碼頭設(shè)計指南》（AS3962-2001）不符，所以樁的水平荷載應(yīng)取單項最大。

②撞擊力。

船舶的波浪力屬于船舶撞擊力，與擠靠力不會同時存在。

綜上可得，浮橋?qū)Χㄎ粯懂a(chǎn)生的水平荷載應(yīng)取為24.19kN。

（8）定位樁抗彎承載力計算。

計算條件：

①定位樁入土段嵌固模型采用假想嵌固點法，定位樁嵌固點距泥面4.5m，自由長度為12.5m，水平荷載為24.19kN。

②選用DN450 鋼管樁，外徑480mm，壁厚度9mm。

③樁身材料的彈性模量EP=2.06×105Mpa，I=3.69×10-4m4。

根據(jù)以上計算條件，定位樁可按懸臂梁計算彎矩：

定位樁最大應(yīng)力為：

定位樁允許應(yīng)力為215Mpa，因此，定位樁在水平荷載作用下滿足要求。

4.結(jié)論

本文以《游艇碼頭設(shè)計規(guī)范》（JTS165-7-2014）為基礎(chǔ)，參考澳大利亞《游艇碼頭設(shè)計指南》（AS3962-2001），通過對浮橋以及靠泊游艇受風、水流和波浪作用產(chǎn)生的水平力進行詳細分析計算，最后得到單樁上的水平荷載。通過單樁水平荷載可確定定位樁樁徑和樁間距，從而避免了游艇碼頭設(shè)計中定位樁設(shè)計的盲目性，對游艇碼頭設(shè)計有積極的指導意義。