游艇碼頭定位樁設(shè)計(jì)荷載計(jì)算研究

顧津瑋，趙一帆

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

近年來(lái)，隨著旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展和個(gè)性化娛樂(lè)服務(wù)的興起，游艇碼頭的建設(shè)需求呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

游艇碼頭的主體結(jié)構(gòu)一般為浮體結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)上，該結(jié)構(gòu)形式與一般的固定式碼頭有本質(zhì)區(qū)別。而我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 165-7-2014）[1]針對(duì)該類(lèi)碼頭的荷載計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算方式等許多方面沒(méi)有明確的要求和規(guī)定，行業(yè)內(nèi)部對(duì)相關(guān)問(wèn)題也尚無(wú)明確的共識(shí)?！陡劭诠こ毯奢d規(guī)范》（JTS 144-1-2010）[2]及《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015）[3]中的荷載計(jì)算主要針對(duì)傳統(tǒng)的大型船舶和不透水式碼頭結(jié)構(gòu)，將其直接應(yīng)用于游艇碼頭的設(shè)計(jì)還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

我國(guó)現(xiàn)有的許多游艇碼頭設(shè)計(jì)中，部分未明確的設(shè)計(jì)原則及荷載計(jì)算參考了澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)《游艇碼頭設(shè)計(jì)指南》（AS 3962-2001）[4]和《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]。澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)《游艇碼頭設(shè)計(jì)指南》（AS 3962-2001）在國(guó)內(nèi)外有較多的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，較為可靠；《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中針對(duì)浮碼頭的設(shè)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行了專(zhuān)題研究。

本文以我國(guó)北方某港游艇碼頭項(xiàng)目的定位樁設(shè)計(jì)為例，對(duì)游艇碼頭計(jì)算中涉及的荷載計(jì)算進(jìn)行討論，并對(duì)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范、澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)和《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 荷載對(duì)比及計(jì)算

采用定位樁作為錨碇結(jié)構(gòu)的游艇碼頭，其浮橋結(jié)構(gòu)與定位樁通過(guò)抱樁器相連接，浮橋結(jié)構(gòu)的自重、浮力、人群荷載等豎向荷載不會(huì)傳遞到定位樁上。定位樁承受的荷載主要有：浮橋結(jié)構(gòu)的波浪荷載、船舶及浮橋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載、船舶及浮橋結(jié)構(gòu)的水流荷載、船舶靠泊時(shí)的撞擊力及定位樁的波浪荷載。

1.1 浮橋結(jié)構(gòu)的波浪荷載

對(duì)于浮橋結(jié)構(gòu)上的波浪荷載，中國(guó)規(guī)范《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》及澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)《游艇碼頭設(shè)計(jì)指南》中均給出了水平波浪荷載的參考值；而《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》針對(duì)浮式結(jié)構(gòu)的波浪荷載提出了一套計(jì)算方法。

1）中國(guó)規(guī)范

《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出，作用于浮箱的波浪力可參照《港口與航道水文規(guī)范》計(jì)算。《港口與航道水文規(guī)范》中沒(méi)有對(duì)下部透水的浮式結(jié)構(gòu)上提出波浪荷載計(jì)算方法，只能參照直墻式建筑的波浪荷載進(jìn)行計(jì)算，有研究[6]表明該計(jì)算結(jié)果明顯偏大。

另外《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》提出，資料不足時(shí)，水平波浪荷載可取 2 kPa。該荷載參考值未給出適用的波浪條件。

2）澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)

《游艇碼頭設(shè)計(jì)指南》中提出，若不進(jìn)行詳盡的分析，波浪荷載可按照2 kN/m的最小水平力進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，指南提出該荷載參考值的適用條件為“小型船只港‘良好’波況標(biāo)準(zhǔn)”。該波況要求與波周期和波向有關(guān)，但其顯著波高h(yuǎn)s最大不能大于0.6 m，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波高h(yuǎn)1%最大不應(yīng)大于0.7 m。對(duì)不滿足該要求的波浪條件，應(yīng)對(duì)波浪荷載進(jìn)一步分析計(jì)算。

3）《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》

《手冊(cè)》中給出了波浪橫向作用于躉船的波浪荷載計(jì)算公式：

式中：Hr為反射波高；H’為浮體前實(shí)際波高。

上述公式廣泛使用于浮式結(jié)構(gòu)的波浪力計(jì)算上，亦有研究[6]通過(guò)與數(shù)值模型計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該公式計(jì)算結(jié)果可靠、且稍大于數(shù)模結(jié)果，適用于游艇碼頭設(shè)計(jì)中。

1.2 船舶及浮橋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載

對(duì)作用于船舶或結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，中國(guó)規(guī)范《港工結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中分別給出了明確的計(jì)算公式；而澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)《游艇碼頭設(shè)計(jì)指南》則是采用統(tǒng)一的計(jì)算公式并通過(guò)風(fēng)阻力系數(shù)不同分別進(jìn)行計(jì)算。

1）中國(guó)規(guī)范《港工結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》

作用在船舶上的風(fēng)荷載計(jì)算公式：

作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載計(jì)算公式：

2）澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)《游艇碼頭設(shè)計(jì)指南》

作用在船舶或結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載計(jì)算公式：

式中：CD為風(fēng)阻力系數(shù)，CD取值參考表1。

表1 風(fēng)阻力系數(shù)CD

4）風(fēng)荷載遮擋系數(shù)

《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，相鄰泊位下風(fēng)向游艇被遮擋時(shí)，其風(fēng)荷載可取無(wú)遮擋時(shí)的30 %；澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)《游艇碼頭設(shè)計(jì)指南》中規(guī)定，被遮擋的游艇，風(fēng)荷載可取無(wú)遮擋時(shí)的20 %。

1.3 船舶及浮橋結(jié)構(gòu)的水流荷載

對(duì)作用于船舶或結(jié)構(gòu)的水流荷載，《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》、《港工結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)《游艇碼頭設(shè)計(jì)指南》給出了相似的計(jì)算公式：

僅在不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)的水流阻力系數(shù)Cw有所區(qū)別，在此不再逐一羅列。

1.4 其余荷載及荷載組合

1）其余荷載

船舶靠泊時(shí)的撞擊力在中國(guó)規(guī)范《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》及澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)中均沒(méi)有給出明確計(jì)算模式，且根據(jù)澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)其不與風(fēng)荷載、波浪荷載、水流荷載組合，本文中不對(duì)其進(jìn)行更深入的探討。

定位樁上的波浪力在澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出計(jì)算方法，而在《港口與航道水文規(guī)范》中有明確的計(jì)算公式，本文中不在贅述。

2）荷載組合

根據(jù)中國(guó)規(guī)范《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，承載能力極限狀態(tài)的荷載組合為（另需考慮可變作用的組合系數(shù)）：

根據(jù)澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度極限狀態(tài)的荷載組合為：

澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)中特別指出，風(fēng)荷載計(jì)算采用時(shí)距為30 s的風(fēng)速，而中國(guó)規(guī)范采用時(shí)距為10 min的風(fēng)速。根據(jù)相關(guān)研究[7]中提到的風(fēng)速時(shí)距換算關(guān)系，10 min時(shí)距風(fēng)速與30 s時(shí)距風(fēng)速的換算系數(shù)為0.87。相應(yīng)的，考慮組合系數(shù)后風(fēng)荷載的換算系數(shù)為1.4×0.872≈1.06。對(duì)于相同的風(fēng)況，在考慮時(shí)距不同和組合系數(shù)差異后，兩國(guó)規(guī)范對(duì)荷載組合后風(fēng)荷載部分的結(jié)果相似，中國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果稍大。

1.5 定位樁荷載增大系數(shù)

浮橋結(jié)構(gòu)與定位樁之間通過(guò)抱樁器相連，而抱樁器與定位樁必然留有間隙。考慮抱樁器與定位樁間隙不同、定位樁及抱樁器施工偏差、樁位布置情況復(fù)雜以及浮橋剛度存在差異等因素，應(yīng)對(duì)上述計(jì)算荷載予以適當(dāng)增大。

中國(guó)規(guī)范《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出，對(duì)于管徑為 0.5 m的鋼管樁，單樁受力增大系數(shù)介于1.05～1.60之間。

2 工程實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概況

本文以我國(guó)北方某港游艇碼頭項(xiàng)目的定位樁設(shè)計(jì)為例，對(duì)游艇碼頭的荷載計(jì)算進(jìn)行對(duì)比研究。該碼頭某結(jié)構(gòu)段包含1條長(zhǎng)度為69.5 m主浮橋，兩側(cè)長(zhǎng)度為12 m和18 m的支浮橋呈梳狀布置。該碼頭錨碇結(jié)構(gòu)為定位樁，并通過(guò)抱樁器連接。定位樁設(shè)置于支浮橋端頭處及主浮橋兩側(cè)泊位中間位置，如圖1所示。

圖1 某港游艇碼頭定位樁布置

該游艇碼頭設(shè)計(jì)船型為12 m游艇和18 m游艇。設(shè)計(jì)波高為0.9 m，波周期為2.9 s及9.1 s兩種；設(shè)計(jì)風(fēng)速為26.84 m/s（風(fēng)速時(shí)距為10 min）；水流速度為0.5 m/s。計(jì)算中取浮橋干舷為0.25 m，吃水為0.5 m。

2.2 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

1）浮橋結(jié)構(gòu)的波浪荷載

表2 浮橋上的波浪荷載計(jì)算結(jié)果 kN/m

由計(jì)算結(jié)果可以看出，《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》的計(jì)算結(jié)果明顯大于《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)給出的參考值。

本計(jì)算設(shè)計(jì)波浪條件遠(yuǎn)超過(guò)澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)中提出的適用條件，與1.1節(jié)中的分析結(jié)論相符；而《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的參考值也應(yīng)提出相應(yīng)的適用條件。

2）船舶及浮橋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載

設(shè)計(jì)條件中設(shè)計(jì)風(fēng)速所采用的時(shí)距為10 min。按照澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)采用30 s時(shí)距風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算。而由1.4節(jié)分析可知，兩種規(guī)范設(shè)計(jì)風(fēng)速的時(shí)距差異已在荷載組合分項(xiàng)系數(shù)中有體現(xiàn)。在本節(jié)分析中，均采用10 min時(shí)距的設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算。

表3 船舶或浮橋的風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，《港工結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》與澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果基本相符。風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果受中間參數(shù)取值影響明顯，兩國(guó)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)方式和參數(shù)取值均不同，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果中的誤差是可接受的。

3）船舶及浮橋結(jié)構(gòu)的水流荷載

表4 船舶或浮橋的水流荷載計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于浮橋部分水流荷載的計(jì)算，中國(guó)規(guī)范《港工結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》與澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果基本相符；對(duì)于游艇所受水流荷載的計(jì)算，中國(guó)規(guī)范《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果大于澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)，更傾向于保守。

3 結(jié) 論

1）《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)給出的波浪荷載參考值僅適用于較好的波浪條件；對(duì)于較大的波浪，推薦使用《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的公式進(jìn)行計(jì)算。

2）中澳兩國(guó)規(guī)范對(duì)風(fēng)荷載的計(jì)算公式較為類(lèi)似，計(jì)算結(jié)果相近；對(duì)下風(fēng)向被遮擋的游艇，中國(guó)規(guī)范的折減系數(shù)偏于保守。

3）中澳兩國(guó)規(guī)范對(duì)浮橋結(jié)構(gòu)水流荷載的計(jì)算結(jié)果近似，而中國(guó)規(guī)范對(duì)游艇水流荷載的計(jì)算偏于保守。

4）中澳兩國(guó)規(guī)范對(duì)風(fēng)荷載計(jì)算在設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)距和荷載組合系數(shù)上的規(guī)定不同，將兩者結(jié)合考慮，則最終結(jié)果相近，中國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果偏于保守。

5）對(duì)于游艇碼頭的定位樁計(jì)算，應(yīng)考慮荷載增大系數(shù)。