重力墩式圓沉箱基床頂應力三維分析研究

吉 明，周 玥

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

重力墩式圓沉箱結構由于其整體結構耐久性好、水阻小、泊穩及受力條件好、造價相對方沉箱較低等優點在外海地質條件較好區域應用廣泛。

基床頂應力是衡量沉箱結構受力狀態的一個重要指標，區別于岸壁式結構，大多數墩式沉箱碼頭結構的波浪、系纜力等均為非正向作用，即結構受斜向作用明顯，傳統的以單個方向計算基頂應力的方法存在一定的誤差。本文結合工程實例采用三維分析的方法對重力墩式圓沉箱基頂應力進行分析，研究沉箱基頂合理的應力分布受力狀態。

1 工程概述

某20 萬t 級礦石碼采用圓沉箱重力墩式結構，最南側為單墩的獨立沉箱結構。獨立墩式沉箱外徑為 13.8 m，沉箱高為 25.5 m，外壁厚0.45 m，內為十字型隔墻，厚度為0.25 m，底板厚度為0.8 m，外側趾長為2.0 m。沉箱底部設置0.6 m 厚度的拋石基床，沉箱頂為預安扇形塊、現澆塊等構件，采用鋼聯橋與平臺連接。碼頭前沿設兩鼓一板SUC2250H 鼓型橡膠護舷，墩臺頂均設2 柱1 500 kN 脫纜鉤。

獨立墩式沉箱結構平面布置及斷面分別見圖1、2所示。

圖1 平面示意圖

圖2 斷面示意圖

1.1 設計水位

設計高水位4.64 m（高潮累積頻率10 %的潮位）；設計低水位0.30 m（低潮累積頻率90 %的潮位）；極端高水位5.69 m（重現期五十年的年極值高水位）；極端低水位-0.73 m（重現期五十年的年極值低水位）。

1.2 設計波浪

本工程設計波浪要素見表1。

表1 碼頭前沿50 年一遇波浪要素

2 墩式結構受力計算

考慮到墩式結構三維受力的特性，設計將所有受力折算到以南北方向為X 軸，東西方向為Y軸，沉箱底板為平面的坐標系中，底板中心為坐標原點，底板向下為Z 軸正向，如圖3 所示。

圖3 墩式結構受力圖

所有結構受力與坐標軸方向一致為正，其中彎矩按右手法則考慮。

2.1 結構自重

表2 墩式結構自重計算表

2.2 船舶荷載[1]

表3 墩式結構船舶荷載

2.3 波浪力[2]

1）水平向波浪力

根據規范判定條件，不同設計水位條件下的D/L＜0.2，波浪對沉箱結構的水平作用采用小尺度柱計算。沉箱及上部結構所受最大水平向波浪荷載如下表所示。

表4 墩式結構最大水平向波浪荷載

2）波浪浮托力

由于規范中對小尺度柱全相位無浮托力計算公式，僅在滿足慣性力為主的前提下，參考采用大尺度墩（柱）體的波浪浮托力計算。

根據復核計算，沉箱最大正向水平總波浪力對應的相位為270°，但根據附錄Q 對應相位計算PU和MU均為負值，對應的墩底周邊浮托力強度也為負值（波吸力作用），其浮托力及彎矩均產生與波浪水平向作用的反作用力，對結構受力有利。李炎保等[3]對墩式結構的波浪浮托力進行研究時也表明，最大水平向總波浪力與最大浮托力產生的相位不同步，因此為確保結構受力安全，浮托力采用規范附錄Q 最大浮托力及相應彎矩進行計算。

表5 墩式結構波浪浮托力及彎矩計算表

3 基頂應力分析[4]

基床頂應力可按下式進行計算：

式中：σ為基床頂面應力標準值（kPa）；N為作用于基床頂面的豎向合力標準值（kN）；A為基床頂面截面面積（m2）；M為作用于基床頂面的偏心矩合力標準值（kN·m）；W為截面抗彎系數。

3.1 主要計算工況

在本工程中沉箱墩式結構設計中持久狀況主要荷載作用種類包括自重力、波浪力、系纜力、撞擊力等，以上作用按同時出現的可能，采用最不利情況進行組合計算。

組合工況1：自重力+波浪力（極端高水位：1-1；設計高水位：1-2）

組合工況2：自重力（設計高水位）+系纜力+逃逸波浪（系纜力1：2-1；系纜力2：2-2）

組合工況3：自重力+撞擊力

3.2 應力分析

1）平面應力分析

基床頂應力采用平面分析時，彎矩不考慮繞Y 軸作用，計算結果見表6。

表6 沉箱結構基床頂應力平面分析計算表1

考慮本工程獨立墩受波浪力、系纜力斜向作用明顯，綜合結構的安全性要求，將波浪、系纜作用方向調整為垂直中心軸方向受力進行計算（作用力垂直中心軸受力），計算結果見表7：

表7 沉箱結構基床頂應力平面分析計算表2

工況2-2 基頂最小應力出現負值，應進行基床頂應力重新分配計算。分配的原則滿足平截面假定，其應力狀況如圖4 所示。圖中D為沉箱底直徑，Xd為應力分布范圍，σmax為應力重新分配后的最大應力。通過等式(2)(3)聯立求出：工況2-2 重新分配的最大基床頂應力σmax=564.2 kPa；Xd=15.411 m。

圖4 應力圖

2）三維應力分析

考慮波浪力、系纜力斜向作用，三維應力分析考慮X、Y 軸所受彎矩狀況，將所有MX、MY彎矩進行數值疊加后根據平行四邊形法則折合總彎矩M，并以此計算沉箱結構基頂應力，結果見表8。

表8 沉箱結構基床頂應力三維分析計算表

同樣，根據公式（2）（3）核算，三維應力分析時工況 2-2 重新分配的最大基床頂應力σmax=548.7 kPa；Xd=15.79 m。

3）應力對比分析

a.采用平面應力分析沉箱基床頂應力由于忽略斜向波浪、系纜等荷載繞Y 軸作用彎矩，基頂應力明顯偏小，設計時采用此計算模式偏于危險；

b.表7 計算數值將斜向作用的波浪力、系纜力折算到主應力受力方向，是一般工程常用的空間結構受力的簡化計算方法，計算應力較按表8 按實際受力狀況計算的應力值稍大，滿足結構安全設計的要求；

c.按波浪力、系纜力斜向作用，分別考慮X、Y 軸所受彎矩狀況，將MX、MY彎矩進行數值疊加后進行折合彎矩計算沉箱基頂應力方法，反應了沉箱基床的實際受力狀況；

d.按沉箱基床的實際受力狀況計算的應力重新分布的基頂最大應力548.7 kPa，較簡化計算基頂最大應力減少15.5 kPa。

4 結語

1）三維分析基床頂應力的計算方法更符合工程實際，有條件時推薦采用。

2）將斜向作用折算到基頂主應力受力方向，是一般工程常用的重力墩式空間結構基頂受力的簡化計算方法，計算結果偏于安全。

3）重力墩式結構忽略斜向荷載僅按單向受力計算基頂應力的模式明顯偏于危險。

4）重力墩式沉箱結構三維受力特性明顯，基頂最小應力出現負值應進行合理的應力重新分配計算。