淺析坐床式大圓筒碼頭結構設計

連長秋

摘 要：由于大圓筒碼頭結構土壓力計算理論、相互作用的機理尚不明確，目前在現行規范中還沒有可信賴的計算公式，本文結合工程實例，通過現有規范和staad軟件空間建模，分析大圓筒結構受力及配筋，可供同類碼頭結構設計參考。

關鍵詞：大直徑圓筒;臨時底板;土壓力;有限元

中圖分類號：U656.1? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0134-03

1引言

坐床式大圓筒結構與其他常見的重力式碼頭結構型式相比具有一定優勢，受力條件好，曲面上的主動土壓力在理論上會比庫倫土壓力計算值小，但因該結構與土體之間互相作用的機理非常復雜，還沒有成熟的經驗，目前在現行規范中還沒有可信賴的計算公式，本文結合欽州港某工程實例，通過現行規范和staad軟件空間建模分析，較好地完成了大圓筒結構內力計算及配筋，已順利通過專家評審。同矩形沉箱方案比較，混凝土量可減少35%以上，碼頭工程費用僅為沉箱方案的75%，具有較好的技術和經濟效益。

2工程概況

本工程由南向北布置3個5萬噸級通用泊位，泊位總長757m，陸域總面積79hm2，陸域縱深約1100m，碼頭面高程6.30m。在規劃已確定其水、陸域位置的基礎上，綜合考慮與后續工程的銜接、裝卸工藝特點及工程地質條件，本水工建筑物采用坐床式鋼筋砼大直徑圓筒結構。本工程南端與旁邊碼頭銜接處已建有82.8m的延長段，該延長段共安放圓筒4個，該延長段卸荷板范圍內鋪面已施工，同時在本工程北端需預留73.1m過渡段，因此本次需新建水工結構長度為747.3m。

大圓筒外徑為18m，圓筒壁厚為0.34m，圓筒坐落在1m厚的拋石基床上，持力層選在中風化巖層。圓筒底標高為-13.60m，圓筒頂標高為3.0m，圓筒外趾懸挑長度為0.80m，圓筒設有臨時底板，底板與圓筒之間采用螺栓連接，待圓筒安裝就位后，由潛水員水下對稱拆開螺栓。圓筒內要求回填砂及礫卵石反濾料，并且進行振沖達到中密及以上。圓筒上為現澆鋼筋砼卸荷板、胸墻和軌道梁，卸荷板為梁肋式結構，連系梁橫向布置，正交連接胸墻、前后軌道梁等縱向構件，每塊卸荷板設兩道橫向連系梁，間距為11.0m，梁寬0.8m，梁高3.3m。現澆胸墻底標高為3.0m，頂標高為6.3m，頂底寬度為4.9m，胸墻臨水懸寬0.8m，懸寬底高程下設至+1.8m，以供護舷安裝，胸墻內部設置管溝，用于放置為船舶和工藝設備等供水、供電而鋪設的水管和電纜。每個圓筒上設置一段鋼筋混凝土胸墻，即胸墻的分段長度為18.98m，段間設20mm沉降縫，沉降縫采用泡沫板填充。

3設計條件

3.1自然條件

3.1.1設計水位

設計高水位：4.68m;設計低水位：0.40m;極端高水位：5.77m;極端低水位：-0.89m。

3.1.2設計波浪

除臺風影響期間外，本工程水域波浪很小，主要影響為小風區風成波和船行波。

3.1.3設計風速

按瞬時9級風，設計風速V=22m/s。碼頭裝卸機械設備對水工結構的影響按照臺風期間的最大設計風速V=55m/s考慮。

3.1.4水流流速

本碼頭處落潮時最大流速為0.7m/s，漲潮時最大流速為0.54m/s。

3.1.5地質條件

根據鉆探結果分析，基巖上覆土層為人工填土、第四系全新統晚期海相沉積層為淤泥土、第四系全新統早期海陸相沉積層為淤泥質粉質粘土、砂類土及晚更新統殘積土為粘質粉土，下伏基巖為白堊系棕紅色泥質粉砂巖。本工程拋石基床位于中風化巖層上，拋石基床底面與地基土頂面摩擦系數設計值取0.55。

3.2設計荷載

3.2.1永久作用

主要建筑物自重力、填料自重、填料土壓力等。

3.2.2可變作用

3.2.2.1均布荷載

碼頭前沿：標準值q1=20kPa（碼頭前沿25m范圍內）。

前方堆場：標準值q2=120kPa（碼頭前沿25m范圍外）。

3.2.2.2機械荷載

流動機械：ZL50裝載機、25t輪胎式起重機、20t自卸車、Q25牽引車和平板車等。

25t-33m門機：4腿×8輪，軌距×基距=14m×10.5m，最大輪壓25t。

3.2.2.3船舶荷載

4計算方法及結果分析

4.1貯倉壓力[1]

圓筒高度與直徑之比接近1，圓筒內填料為砂石時，沿圓筒壁深度各點的垂直壓力和側壓力值可按式（1）至（4）計算：

4.2土壓力

作用于圓筒外的土壓力，土壓力沿筒周邊或高度方向的分布性質和大小，與直立面墻有所不同。依據現行規范，圓筒墻后的主動土壓力，可按墻背為平面簡化計算，土與墻背之間的摩擦角可取1/3倍填料內摩擦角標準值。一般是通過假定一個垂直平面來代替直徑D范圍內的曲面上的計算。周錫礽[2]等通過一系列試驗研究對筒體外土壓力的計算進行了總結，該平面與圓筒軸線的距離x是根據圓筒曲面上的總側向土壓力與此假定垂直平面所作用的側向土壓力，兩者相等的原則推算而得x=（0.35～0.38）D。另外，由于圓筒的曲面效應，曲面上的土壓力理論值比庫倫土壓力要小，且徑向土壓力沿著圓周逐漸遞增（或遞減）。在本實例計算中，認為筒后土壓力分布基本上呈三角形的分布趨勢，按庫倫土壓力理論值乘以一個折減系數k1，近似在0.60～0.80范圍內;地面均布荷載按矩形分布計算，均載產生的附加土壓力按庫倫土壓力理論值乘以一個折減系數k2，近似在0.40～0.60范圍內。

主動土壓力可按式（5）計算：

墻后均載產生的土壓力可按式（6）計算：

4.3計算結果

碼頭結構采用臨時有底的鋼筋砼薄壁大圓筒結構。臨時底板是本實例中比較特別的一個設計思路，使得圓筒可利用浮船塢運輸至預定位置安裝，在缺少大型浮吊設備情況下很有優勢。

碼頭結構抗傾、抗滑、地基應力等驗算采用豐海軟件計算，結果詳見表1至表2。圓筒結構內力計算則采用staad軟件進行模擬計算（如圖2），筒體用板殼單元表示，筒底與拋石基床邊界條件簡化為水平向和豎向只添加位移約束，結果詳見表3。各作用效應按《碼頭結構設計規范》（JTS167-2018）等相關的規范條文，對實際可能在碼頭結構上同時出現的作用，按不同水位情況下相應的持久狀況、短暫狀況予以考慮組合。

通過計算分析可知，在外部荷載作用下，本文上述圓筒結構尺寸滿足抗滑、抗傾覆、地基承載力等要求，并對鋼筋砼大圓筒受力較大的區域加強配筋，而不僅僅是滿足構造配筋的要求，使得配筋更加合理，兼顧考慮安全性和經濟性。

5 結語

本文結合工程實例，通過空間有限元軟件對圓筒結構受力分析，得出圓筒環向和縱向的彎曲應力均較小，且筒體的控制性彎矩是環向彎矩。圓筒結構最大特點是曲殼結構，筒內無需設置隔墻，預制方便，可以做成大直徑，安裝工程量少，穩定性能好，經濟效益明顯，在港口工程建設中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] JTS167-2018，碼頭結構設計規范[S].

[2]周錫礽，王暉，韓桂軍.大直徑薄殼圓筒結構的設計與計算[J].港工技術，1995（02）：22-30.

[3] JTS151-2011，水運工程混凝土結構設計規范[S].