大噸位混凝土錨固基礎設計

唐繼蔚 王 鈺

（交通運輸部上海打撈局，上海 200090）

0 引 言

我國海域遼闊，海底土質多樣，有黏土、砂土、珊瑚巖、鈣質砂等[1]，在不同海域進行工程建設時需要設計合適的系泊系統，錨固基礎是系泊系統中重要的承載構件之一，需要根據不同的土質特點選擇適用的形式。大噸位錨固基礎屬于重力式錨，其由鋼筋、混凝土和鋼材等材料制成。有關重力錨的設計計算，早在1982 年TaylorR[2]給出了相應的選取原則和設計計算方法。Michael Grant Seibert（2011）[3]為南佛羅里達海洋再生能源體系設計了重力錨泊系統，討論了在佛羅里達海底600～800 m 水下，年代久遠的沉積土、欠固結淤泥，以及有砂土的硬層土可選擇的錨泊形式。在“世越”號打撈時由于海底泥質堅硬，現場設計使用鋼筋混凝土重力錨在實際施工中提供了200 t 以上的錨抓力[4]。

重力式錨具有適應范圍廣、安裝簡單等優點，不僅可以提供較高的水平爪力，還具有一定的抗垂向拉力的能力。在一些特殊環境，例如熱帶島嶼或火山環礁起源地，這些地方一般有陡峭山坡、不規則的地形、不定厚度的沉積物，針對硬質海底土壤條件如：珊瑚砂、巖石、碎石土等，無法使用常規船錨或者吸力樁等作為臨時錨泊系統，而重力式錨可滿足使用要求。雖然底質的剪切強度和錨與底質之間的摩擦力會影響重力錨承受水平負荷的能力，但是波浪載荷對重力錨的承載力的影響同樣十分顯著，在波浪載荷作用下，重力錨的水平承載力會下降[5]。為增大重力錨水平承載力，推薦底部帶有剪力鍵的重力錨作為海洋平臺系泊裝置[6]。

重力錨的大小和形式取決于其所要錨固結構物的要求，隨著結構物的不同具有很大的差異[7]。大噸位混凝土錨固基礎作為重力錨的一種可滿足大型結構物系泊要求，根據現有錨固基礎水平承載力計算方法結合環境載荷影響提出大噸位錨固基礎水平承載力計算公式和重量計算方法，并對大噸位錨固基礎的設計和吊裝、連接眼板強度進行了研究。最后通過計算案例詳細介紹大噸位混凝土錨固基礎的設計與計算過程，為其實際應用提供參考。

1 錨固基礎設計

1.1 水平承載力計算

根據《BARTHOLOMEW CharlesA.USnavysalvage engineer’s handbook.USA:US Navy,1992:G1-G36》[8]的數據，對于非黏性土，錨在水平荷載作用下，錨底土體發生排水剪切破壞，其最大水平承載力為：

式中，μ為錨底與土體的摩擦系數或為有剪力鍵時土與土之間的摩擦系統，μ=tan(?-5)（在沒有剪力鍵的鋼質或混凝土的錨底需要折減5°），μ=tan(?)（有剪力鍵的錨固基礎）；?為錨底土體內摩擦角；Wb為錨在水下的重力；Fve為設計載荷與錨鏈載荷豎直方向上的分力；Fh為設計載荷與錨鏈載荷在水平方向上的分力；γb為土的浮重度；A為錨底面積；Df為剪力鍵入泥深度，海底泥面以下；β為海底泥面坡角；Rp為錨底前沿的被動土壓力。

1.2 環境載荷計算

錨固基礎還需要克服環境載荷（波浪力及水流力）所帶來的水下水平載荷，其中以水流力為主，計算公式如下：

式中，Cw為水流阻力系數；ρw為水的密度；A為計算構件在與流向垂直平面上的投影面積；V為水流設計流速。

1.3 錨固基礎重量計算

根據錨固基礎水平承載力和環境載荷可推導出混凝土錨固基礎的水下重力，計算公式如下：

若土壤承載力能力未知，無法評估錨嵌入土壤的深度，同時考慮到潮流沖刷等綜合性因素，γbADf和Rp可以忽略，且當錨固基礎只受水平拉力（β=0）即沒有豎向拉力時錨固基礎水下重力計算公式可轉化為：

混凝土錨固基礎空氣中的重力計算公式如下：

式中：ρc為混凝土密度。

2 大噸位混凝土錨固基礎結構設計

大噸位混凝土錨固基礎結構包括錨固基礎本體、剪力鍵、吊裝眼板、錨鏈連接眼板、定位用定位設備底座，如圖1 所示。在設計時需要注意的關鍵點：

圖1 大噸位混凝土錨固基礎示意圖

（1）錨固基礎本體混凝土結

構需滿足GB50204 混凝土結構施工質量驗收規范[9]的相關要求，考慮其主要用于水下，建議使用C35 及以上標號的混凝土，鋼筋不能露出混凝土表面，必要時需要加裝陽極保護。

（2）錨固基礎吊裝眼板的間距要

符合施工設計要求，例如需要與所選浮吊船吊鉤間距相匹配、考慮吊索的開角等；

（3）眼板包括主體、圓柱頭焊釘、加強板，設計時不僅需要校核其結構強度，還要考慮周圍混凝土強度。眼板結構上的圓柱頭焊釘可增加其與混凝土的結合力；加強板用于增強眼板的結構強度和穩定性；眼板底部和錨固基礎的鋼筋層連接，進一步增強其與混凝土的結合力。

（4）定位設備是安裝時的關鍵設備，可保證錨固基礎布放的精準度。其底座由鋼板和鋼筋組成，嵌入于錨固頂部，露出的鋼板部分可用于安裝水上、水下定位設備。

圖2 眼板結構示意圖

3 眼板結構強度校核

眼板作為吊裝鎖具、錨鏈的連接結構，形式簡單、制作方便、卸扣連接簡便、結構強度高等優點，只需要在錨固基礎澆筑前預埋至其內部，施工難度低。

眼板設計可以根據AISCASD9thEdition 鋼結構許用應力設計規范[10]對眼板結構強度進行校核。

3.1 眼板吊點擠壓應力校核

按上述規范要求抗擠壓許用應力為：

式中：σs為鋼材屈服強度。

假定擠壓應力是均勻分布的，則工程上簡化的實用計算公式如下：

式中：Fb為擠壓力，Ab為擠壓面面積。通常銷軸與眼板孔擠壓應力分布情況如圖3 所示，最大應力發生在半圓柱形接觸面的中點，它與實用計算所得的擠壓應力大致相等。擠壓面面積Ab為擠壓面的正投影面積，對于半圓柱形擠壓面面積就是直徑平面面積（如圖4 所示），即：Ab=td。

圖3 銷軸與眼板孔擠壓應力分布圖

圖4 擠壓應力等效投影面

3.2 眼板吊點孔剪切應力校核

根據規范要求抗剪切許用應力為：

假設應力在剪切面內是均勻分布的，即平均應力也稱名義剪應力，工程上簡化的實用計算公式如下：

式中：Q s為剪力，As為剪切面面積。

3.3 眼板拉應力校核

根據規范要求抗拉許用應力為：

眼板拉應力計算公式為：

式中：FT為眼板受到的拉力，AT為眼板截面積。

3.4 眼板彎曲應力校核

根據規范要求抗彎許用應力為：

眼板截面如圖5 所示，繞X 軸彎曲應力計算公式為：

圖5 眼板截面示意圖

式中：MXX為眼板繞X 軸方向所受彎矩；L為中性軸位置，；W為眼板主板寬度；tg為眼板側板厚度；IXX為眼板截面X 軸慣性矩計算公式如下：

式中：tm為眼板主板厚度；W g為眼板側板寬度。

繞Y 軸彎曲應力計算公式為：

式中：MYY為眼板繞Y 軸方向所受彎矩；IYY為眼板截面Y 軸慣性矩計算公式如下：

4 錨體強度校核

在眼板受拉時，眼板底部T 型結構對錨體有破壞影響，需要對錨體的強度進行校核。根據GB50010 混凝土結構設計規范[11]可獲得不同強度等級的混凝土軸心抗拉強度設計值ft。可參照JGJ145 混凝土結構后錨固技術規程[12]對混凝土抗拔強度進行校核，單個眼板（錨栓）受拉時，混凝土理想錐體破壞投影面面積Ac,N應按下式計算：

式中，Scr,N為混凝土錐體破壞且無間距效應和邊緣效應情況下，每個錨栓達到受拉承載力標準值的臨界間距（mm），應取Scr,N=3hef；h ef為眼板埋入深度。

則極限破壞載荷為：

混凝土強度校核需要滿足：F＞T，T為眼板受拉力。

圖6 理想錐體破壞投影面面積示意圖

5 設計實例

5.1 錨固基礎重量計算

選取某海域平臺錨泊系統作為設計目標，作業水深約40 m，海底水流速度1m/s，海底摩擦系數0.6，最大張力1 900 kN，安全系數1.5，C35 混凝土密度為2.5 t/m3，錨固基礎初步設計長11.5 m、寬11 m、高3.5 m。矩形水流阻力系數魏1.5，根據公式（2）可知：

故水下重量為

考慮安全系數后錨固基礎空氣中重力為：

即設計空氣重量為：

眼板卸扣銷子直徑d=160mm；眼板主板寬度W=700mm；眼板孔距離混凝土表面高度H=300mm；主板厚tm=80mm；主板頂部半徑Rm=350mm；眼板頰板厚tc=45mm；眼板頰板半徑Rc=200mm，眼板孔半徑Rh=84mm側板寬度Wg=500mm；側板厚度

實際錨固基礎體積約為440 m3、實際重量為1 100 t 滿足設計重量要求。

5.2 吊裝眼板強度校核

錨固基礎重1 100 t，吊裝眼板4 個，單個眼板豎向載荷2 695 kN，吊裝最大角度85°，吊裝眼板所受載荷2 705.3 kN，安全系數為2，故眼板校核載荷為5 410.6 kN。tg=45mm；材料屈服強度345 MPa。

（1）擠壓應力校核

眼板孔擠壓時總板厚：

由公式（7）可知擠壓應力為：

許用擠壓應力為：

（2）剪切應力校核

眼板有效剪切面積：

根據公式（9）可知剪切應力為：

許用剪切應力為：

（3）拉應力校核

眼板主板受拉面積：

根據公式（11）可知拉應力為：

許用拉應力為：

（4）彎曲應力校核

主要考慮平面內彎矩，繞X 軸慣性矩按公式（12）可知

水平分力：

力矩：

根據公式（13）彎曲應力為：

許用彎曲應力為：

圖7 眼板設計示意圖

5.3 錨體強度校核

依據GB50010 混凝土結構設計規范C35 混凝土軸心抗拉強度設計值ft=1.57MPa。根據設計吊裝眼板埋入深度；根據可知臨界間距。按公式（17）可知

按照公式（18）可知極限破壞載荷為：

錨體極限破壞載荷遠大于眼板吊裝載荷（5 410.6 kN），故滿足錨體強度要求。

6 結 論

（1）大噸位混凝土錨固基礎實際與土接觸時不僅作用于接觸面上，其側面和剪力鍵對水平承載力都有一定的作用，但在現有計算公式中無法反映出復雜的土壤接觸情況，更多需要依靠試驗方法獲取的摩擦系數進行保守計算，在公式中考慮了流體對于錨固基礎的作用，但流體計算方法和工況較多，仍需要做進一步的研究。

（2）大噸位錨固基礎的吊裝是其使用中最重要的工況之一，嵌入錨體內部的眼板和錨體本身的結構強度直接關乎作業安全。通過計算案例詳細介紹了眼板及錨體強度的校核方法可供參考，由于錨鏈連接眼板和吊裝眼板形式相同且載荷相比較低則不再重復計算。

（3）大噸位錨固基礎使用范圍廣，但由于體積和重量較大，不利于反復使用，較適用于固定式結構物的錨泊系固等長期使用的環境。