桶式結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理技術(shù)

李　武，杭建忠

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

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桶式結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理技術(shù)

李武，杭建忠

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

桶式結(jié)構(gòu)為空間薄壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)計(jì)算時，薄壁相交位置受力復(fù)雜，很難計(jì)算準(zhǔn)確。文中針對桶式結(jié)構(gòu)，研究其構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的薄弱部位，給出相應(yīng)的加強(qiáng)構(gòu)造措施，解決桶式結(jié)構(gòu)中計(jì)算難題，進(jìn)而為工程設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

桶式結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)構(gòu)造；薄壁結(jié)構(gòu)

0　引言

多隔倉混凝土桶式結(jié)構(gòu)由海洋平臺結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)演變而來，其外形上多為底端開口、頂端封閉的倒扣大直徑單桶單倉結(jié)構(gòu)。安裝時，首先依靠桶體自重使其部分地插入土中以形成密閉空間，然后抽出桶內(nèi)的空氣，利用內(nèi)外壓力差，將桶逐步壓入至海床內(nèi)預(yù)定深度完成安裝，在海洋石油平臺工程中已推廣使用。在水運(yùn)行業(yè)，也引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，結(jié)合水運(yùn)行業(yè)、海域地基的特點(diǎn)和依托工程，研發(fā)了桶式結(jié)構(gòu)[1-4]。

該結(jié)構(gòu)斷面如圖1，外形近似為橢圓，下桶有9個格倉，根據(jù)結(jié)構(gòu)排氣排水下沉情況，調(diào)整各倉的壓力，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)平。放置在軟土地基上的結(jié)構(gòu)依賴于其自身的穩(wěn)定性保持工作狀態(tài)，其穩(wěn)定性的計(jì)算方法決定著桶式結(jié)構(gòu)的入土深度和斷面尺寸。

桶式結(jié)構(gòu)抗滑、抗傾穩(wěn)定性計(jì)算方法與目前采用的單桶單倉結(jié)構(gòu)相比有其自身的特點(diǎn)，因此桶式結(jié)構(gòu)不能直接應(yīng)用單桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，必須對桶式結(jié)構(gòu)建立適合其功能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特性的技術(shù)體系，為此本文針對桶式結(jié)構(gòu)的下桶蓋板、桶壁、抽氣抽水孔、上筒下桶結(jié)合部、擋浪墻、上筒泄水孔、上筒擋浪板、桶間接頭及沖刷防護(hù)等構(gòu)造技術(shù)，進(jìn)行深入研究，分析其結(jié)構(gòu)的薄弱位置，提出有效的加強(qiáng)措施，為桶式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1　結(jié)構(gòu)組成

桶式結(jié)構(gòu)斷面由鋼筋混凝土橢圓腔體結(jié)構(gòu)件和護(hù)底塊石組成。桶式結(jié)構(gòu)每一組結(jié)構(gòu)構(gòu)件由1個基礎(chǔ)桶體和2個上部筒體組成；基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，長軸30 m，短軸20 m，桶內(nèi)通過隔板劃分9個隔倉，外桶壁厚0.4 m（底部4 m范圍為0.3 m），中間隔倉板厚0.3 m，隔倉頂部沿短軸方向設(shè)4道2 m高肋梁，梁寬0.4 m，下桶高度為8～ 11.5 m；2個上部筒體坐落在基礎(chǔ)桶頂板上，頂板厚0.45 m，采用預(yù)制安裝及現(xiàn)澆疊合板結(jié)構(gòu)，上筒外側(cè)底部設(shè)1.5 m寬趾板與頂板連接，上筒體為圓形，直徑8.9 m，筒壁厚0.4 m，兩筒沿短軸方向排列，間距10 m，上筒沿堤軸線方向外側(cè)設(shè)擋浪板，擋浪板厚度0.4～0.6 m。上筒頂海側(cè)設(shè)弧形擋浪墻，擋浪墻由海側(cè)部分筒體升高而成，擋浪墻頂設(shè)計(jì)標(biāo)高10.5 m。

圖1　桶式結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Sketch of the bucket-based structure

桶式結(jié)構(gòu)的兩側(cè)采用塊石護(hù)底。護(hù)底塊石重量和范圍根據(jù)波流條件確定，海側(cè)護(hù)底塊石為400～600 kg的塊石，塊石下方拋設(shè)600 mm厚二片石，以防止大塊石沉入淤泥中，有效護(hù)底寬度為25 m，港側(cè)護(hù)底塊石為200～400 kg的塊石，塊石下方拋設(shè)600 mm厚二片石，有效護(hù)底寬度為20 m。結(jié)構(gòu)詳見圖1。

2　桶式結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

2.1蓋板構(gòu)造措施

下桶頂板內(nèi)力主要受下沉負(fù)壓和回填土壓力控制，根據(jù)內(nèi)力要求，板厚要加厚，配筋量也較大，為控制板厚尺寸，減少板的配筋量，一般都采用設(shè)置肋梁方式來解決板厚問題，優(yōu)化板結(jié)構(gòu)的受力，從而控制了頂板厚度并降低了配筋量，達(dá)到控制造價的目的。

2.2上筒底部與下桶頂板結(jié)合部構(gòu)造措施

桶式結(jié)構(gòu)的上筒與下桶的連接有兩種形式，一種是柔性連接，即上筒與下桶分離，下桶頂板頂部設(shè)一圈梁，上筒坐落在圈梁內(nèi)；另外一種是采用剛性連接，即上筒與下桶連為一個整體。上筒受到波浪力作用下，使下桶頂板局部應(yīng)力較大，蓋板厚度不能適應(yīng)，因此采用設(shè)置趾板來分散蓋板上局部應(yīng)力集中問題。

2.3下桶頂板采用預(yù)制現(xiàn)澆疊合板結(jié)構(gòu)

桶式結(jié)構(gòu)作為新型結(jié)構(gòu)，主要利用下桶插入淤泥質(zhì)土并進(jìn)入淤泥層下層黏土層一定深度，達(dá)到結(jié)構(gòu)在使用荷載作用下穩(wěn)定的使用要求，根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求，下桶底部為類似樁基的開口形式，下沉施工時首先是靠自重下沉，當(dāng)達(dá)到一定的深度時必須通過抽出桶內(nèi)泥漿和空氣，使其產(chǎn)生負(fù)壓下沉。另一方面，如果下沉?xí)r基礎(chǔ)發(fā)生偏斜超出允許范圍，必須通過抽出不同隔倉的空氣產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)行糾偏。這些工況下對于下桶頂板的氣密性要求很高，由于單個構(gòu)件較大，陸上預(yù)制施工時下桶必須開口朝下，整個下桶為封閉結(jié)構(gòu)，如果下桶頂板采用整體現(xiàn)澆，能夠很好滿足氣密性要求，但是頂板下部模板無法取出，施工成本很高。

為了解決這個問題，下桶頂板設(shè)計(jì)時采用預(yù)制現(xiàn)澆疊合板，同時為了保證整個頂板的氣密性，將預(yù)制頂板擱置的下桶壁、隔板、肋梁等設(shè)置放大牛腿，增大現(xiàn)澆結(jié)合部。通過將下桶頂板設(shè)計(jì)成預(yù)制現(xiàn)澆疊合板結(jié)構(gòu)，為桶式結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)用解決了施工難題。

2.4下桶底部設(shè)置變截面

根據(jù)計(jì)算，下桶外壁底部控制工況為施工期陸域出運(yùn)工況，此時內(nèi)力不大，但是考慮到下沉施工過程中下沉阻力較大，下沉?xí)r負(fù)壓增大對整個結(jié)構(gòu)受力不利，同時增大了下沉施工的難度，為減少下沉阻力，設(shè)計(jì)采取將下桶底部桶壁厚度減小。

通過采取變截面措施，減少了下沉端部阻力，同時減少了工程量，降低工程造價。

2.5擋浪板的設(shè)置

桶式結(jié)構(gòu)下沉施工后，相鄰基礎(chǔ)的上筒間存在一定距離的空隙，必須采取措施將此空隙阻斷，否則整個結(jié)構(gòu)的擋浪、減淤或作為駁岸的功能將大大削弱。桶式結(jié)構(gòu)在施工安裝下沉?xí)r會產(chǎn)生一定的偏移或傾斜誤差，擋浪板的設(shè)置必須滿足施工要求。

本結(jié)構(gòu)采用搭接、錯開布置原則，在相鄰上筒側(cè)設(shè)置擋浪板，設(shè)置時錯開布置。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，將擋浪板設(shè)為端部薄、根部厚的梯形結(jié)構(gòu)。同一基礎(chǔ)的上筒間采用直墻板連接。

2.6擋浪墻的設(shè)置

桶式結(jié)構(gòu)作為堤身或直立式駁岸結(jié)構(gòu)，頂部均需設(shè)置擋浪墻，波浪力作為結(jié)構(gòu)所受的主要外力，擋浪墻的設(shè)置最好能起到減小波浪力作用的效果。

桶式結(jié)構(gòu)的上筒作為圓形結(jié)構(gòu)能起到很好的消浪作用，設(shè)計(jì)利用迎浪側(cè)的上筒壁局部升高作為擋浪墻結(jié)構(gòu)，很好解決了在圓形結(jié)構(gòu)設(shè)置擋浪墻問題同時起到減小波浪力作用的效果。

2.7上筒設(shè)置泄水孔

桶式結(jié)構(gòu)使用過程中上筒內(nèi)會有積水，為使筒內(nèi)積水保持在一定的高度，在上筒適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置泄水孔。

2.8下桶頂板設(shè)置抽氣孔

桶式結(jié)構(gòu)施工過程中需要抽氣負(fù)壓下沉及糾偏，在施工完成后，相關(guān)孔洞必須封閉，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此，預(yù)制施工時，必須在下桶頂板預(yù)留抽氣（水、泥漿）孔，每個隔倉設(shè)置2個，該抽氣孔在施工完成后可以而且必須進(jìn)行封閉。

2.9桶間接頭構(gòu)造

桶間結(jié)構(gòu)構(gòu)造可采用以下方式。

1）方案一：工字形鋼板+模袋混凝土

如圖2所示，采用工字形鋼板+模袋混凝土填補(bǔ)接縫?？亢?cè)浪濺區(qū)鋼板厚度30 mm，水下鋼板厚度20 mm，陸側(cè)鋼板厚度20 mm，腹板厚度10 mm，海側(cè)和陸側(cè)鋼板外表面采用涂層保護(hù)，特別是海側(cè)每隔15 a涂刷一側(cè)，工字形尺度為1 000 mm×1 000 mm，放在擋浪墻中心，距每側(cè)300 mm，與擋浪墻重疊250 mm。工字板中間空隙采用模袋混凝土現(xiàn)場澆筑，結(jié)構(gòu)下端回填2 m厚塊石進(jìn)行防護(hù)回填土從下端流失。每組使用模袋混凝土方量為9.72 m3，鋼板重量為5.6 t，原設(shè)計(jì)方案混凝土方量減少了8.02 m3。

圖2　工字形鋼板+模袋混凝土Fig.2　I-shaped steel plate and the bagged concrete

2）方案二：工字形混凝土板+模袋混凝土

如圖3所示，用工字形混凝土板+模袋混凝土填補(bǔ)接縫。工字形尺度2 000 mm×1 800 mm，翼緣寬2 000 mm，厚300 mm，腹板寬1 800 mm，厚400 mm，放在空隙中心，距每側(cè)桶邊300 mm，與擋浪墻重疊500 mm。工字板中間空隙采用模袋混凝土現(xiàn)場澆筑，結(jié)構(gòu)下端回填2 m厚塊石進(jìn)行防護(hù)回填土從下端流失。每組使用模袋混凝土方量為9.28 m3，工字形混凝土方量為21.12 m3，原設(shè)計(jì)方案混凝土方量減少了11.6 m3。

圖3　工字形混凝土板+模袋混凝土平面圖Fig.3　Plan of the I-shaped concrete plate and the bagged concrete

3）方案三：現(xiàn)澆接縫方案

如圖4所示，采用水上現(xiàn)澆混凝土接縫。在預(yù)制場預(yù)制是預(yù)留鋼筋，桶體安裝完成后，將接縫澆筑完成，澆筑接縫是在兩擋浪墻中間設(shè)置橡膠墊將兩個墻體分開。結(jié)構(gòu)下端回填2 m厚塊石進(jìn)行防護(hù)回填土從下端流失。原設(shè)計(jì)方案混凝土方量減少了7.8 m3（由于施工安裝錯位，現(xiàn)澆部分方量可能增大，但是不會超過7.8 m3）。

圖4　現(xiàn)澆接縫方案平面圖Fig.4　Scheme plan of the jointing by cast-in-situ concrete

4）方案四：擋浪墻削角方案

本次修改僅是為了方便施工，考慮水位較高時安裝，擋浪墻容易發(fā)生碰撞，因此將距蓋板上1 500 mm范圍內(nèi)的擋浪墻削掉一個角，詳見圖5、圖6。

圖5　擋浪墻削角方案立面圖Fig.5　Scheme elevation of chamfering the wave wall

圖6　擋浪墻削角方案平面圖Fig.6　Scheme plan of chamfering the wave wall

5）方案五：擋浪墻擴(kuò)大錯位距離方案

本方案與設(shè)計(jì)方相比，既是擋浪墻搭接長度由原來200 mm變?yōu)?00 mm，間距由原來200 mm變?yōu)?00 mm。詳見圖7。

圖7　擋浪墻擴(kuò)大錯位距離方案平面圖Fig.7　Scheme plan of enlarging the distance between wave walls

2.10桶式結(jié)構(gòu)沖刷防護(hù)

桶式結(jié)構(gòu)的沖刷與直立式結(jié)構(gòu)的沖刷較為相似，都是由水流和波浪組合作用引起。先由波浪作用掀砂，再由水流把泥沙帶走形成沖刷坑。而且桶式結(jié)構(gòu)是通過預(yù)制安裝形成水工結(jié)構(gòu)，安裝縫隙很容易過流，而且流速被加大，容易形成串式?jīng)_刷坑。為了防止結(jié)構(gòu)前形成大的沖刷坑影響結(jié)構(gòu)安全。采取必要的防護(hù)措施是保證結(jié)構(gòu)安全的必要手段。根據(jù)波浪與結(jié)構(gòu)的相互作用規(guī)律，沖刷位置一般位于結(jié)構(gòu)附近1/4波長范圍內(nèi)，因此防護(hù)范圍一般大于波浪的1/4波長，桶體兩側(cè)都需要防護(hù)。防護(hù)材料一般采用塊石或其它水工織物。

3　結(jié)語

桶式結(jié)構(gòu)是一種新型空間薄壁結(jié)構(gòu)，其主要構(gòu)造處理措施如下：

1）根據(jù)其受力特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)薄弱部位主要是下桶頂蓋板，構(gòu)造處理措施采用局部加厚或以梁代板做法；

2）為滿足施工要求，蓋板上還開設(shè)排氣排水孔，在孔周圍局部鋼筋加強(qiáng)；同時下桶壁板進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)，以減小下沉阻力；

3）為滿足功能要求和施工間距要求，上筒的軸向位置上設(shè)置擋浪翼板，減小泥面以上相鄰?fù)查g距離，為堵封施工提供施工條件；

4）為防止沖刷，設(shè)置塊石護(hù)底，保護(hù)下桶體不被沖出泥面，進(jìn)而保護(hù)桶式結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

[1]李武，吳青松，陳甦，等.桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2012（5）：42-47. LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability test of the bucketbasedstructure[J].Hydro-scienceandEngineering,2012(5): 42-47.

[2]李武，陳甦，程澤坤，等.水平荷載作用下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].中國港灣建設(shè)，2012（5）：14-18. LI Wu,CHEN Su,CHENG Ze-kun,et al.Stability study of bucketbased structure on horizontal loading[J].China Harbour Engineering,2012(5):14-18.

[3]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程工程可行性研究報(bào)告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[4]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程初步設(shè)計(jì)[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

Configuration processing technology of bucket-based structure

LI Wu,HANG Jian-zhong
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The bucket-based structure is a special kind of thin-walled configuration,its accurate numerical computing results is very hard to be reached,because the stress within the cross section of walls is rather complex.Aiming at the bucket-based structure,we researched the weak parts of the component and the whole structure,put forward the corresponding measures to strengthen the structure,and solved computational problems of bucket-based structure.The study will provide a good reference for engineering design.

bucket-based structure;structure configuration;thin-walled configuration

U656.2；U655.54

A

2095-7874（2016）03-0059-05

10.7640/zggwjs201603013

2016-01-12

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2013663）；江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（2013Y20）

李武（1978—），男，黑龍江人，博士后，主任工程師，高級工程師，從事港口工程設(shè)計(jì)、管理、咨詢工作。E-mail：liw@theidi.com