游艇浮碼頭定位樁內力計算方法探討

張冠群 孔令臣

摘 要：以海河內某游艇碼頭為例，通過Autodesk Robot建立浮橋定位樁計算空間有限元模型，對游艇碼頭定位樁內力進行數(shù)值計算分析，為今后游艇浮碼頭定位樁設計提供參考。

關鍵詞：浮泊位;定位柱;Autodesk Robot

目前有關游艇浮碼頭的設計，尤其是對于水平力作用下游艇碼頭浮橋定位樁內力的計算，規(guī)范中尚無明確的計算方法。本文以天津海河內某游艇碼頭設計為例，利用有限元分析軟件Autodesk Robot對游艇碼頭定位樁內力進行空間有限元數(shù)值分析，計算定位樁結構內力，希望該計算思路能為今后游艇浮碼頭定位樁設計提供參考。

1 工程概況

某工程共建設泊位40個，包括建設2個32m水上巴士泊位、36個游艇泊位和2個32m游船泊位。其中，游艇泊位北區(qū)由北至南依次布置5個18m長游艇泊位、6個15m長游艇泊位、5個12m長游艇泊位。主浮橋寬度為3m，長度為106.7m，支浮橋寬度為1.5m。主浮橋南側設1座聯(lián)系橋，寬1.2m，長度為8m，接岸結構頂標高為2.6m，結構斷面見圖1。

游艇泊位均采用浮箱結構。標準結構段長度為12m，結構段之間采用鉸接。浮箱采用高密度聚乙烯樹脂（HDPE）浮箱，浮箱內填充EPS塊，通過鋁合金框架連接，鋪面采用防腐處理的木板。

定位樁采用Φ600mm鋼管樁，樁頂標高為3.5m，樁底標高-26.5m，樁基入土深度約18m。浮箱與定位樁之間采用抱樁器進行連接，允許水位漲落時，浮箱隨之漲落。

2 設計條件

2.1風

本工程區(qū)域風玫瑰圖如圖5所示：

各方位不同重現(xiàn)期的最大風速見表1。

2.2水文

2.2.1設計水位

海河常水位：1.0～1.5m

景觀水位：1.5m

海河下游最高通航水位：2.5m

海河下游最低通航水位：0.52m

2.2.2波浪

擬建工程水域位于海河以內，掩護良好，波浪影響甚小。

2.2.3水流

由于海河入?？谠O有節(jié)制閘防止海水倒灌，海河內無潮流。據(jù)調研，夏季開閘泄洪時海河內的最大流速可達1.54m/s。

2.3冰況

本工程中碼頭在運營期間冰期采用除冰措施，設計中不考慮浮冰對定位樁的影響。

2.4工程地質

本工程區(qū)域各層土水平方向總體分布較均勻、穩(wěn)定，泥面標高自上往下依次為②淤泥、層底標高-9.53m～-10.03m;⑥c淤泥質粘土，層底標高-14.14m～-15.13m;⑦粉質粘土，層底標高-17.73m～-18.53m;⑧粉質粘土，層底標高-22.83m～-25.33m;⑨粉土、粉砂，層底標高-30.33m～-32.03m;⑩粉砂，層底標高-m～-20.44m。其中，⑨、⑩土質較好、強度較高、分布較均勻，可作為擬建工程的樁基礎樁端持力層，工程地質剖面圖見圖6。

本工程樁基極限側阻力標準值qsik、極限端阻力標準值qpk、液性指數(shù)IL、樁側土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m見表2：

3 設計荷載

定位樁所受內力主要來自浮橋上作用的水平力，水平力由風、浪、流產(chǎn)生的船舶荷載及作用在浮箱和定位樁上的水平向水流力組成。

3.1船舶荷載

本工程浮橋系纜力為控制船舶荷載，故本文僅計算由風流作用所產(chǎn)生的船舶系纜力以及浮橋受到的風荷載、水流力，本工程北區(qū)游艇泊位設計船型分別為18m、15m、12m長游艇，船舶尺寸見《游艇碼頭設計規(guī)范》（JTS165-7-2014）。

根據(jù)《游艇碼頭設計規(guī)范》（JTS165-7-2014）要求，設計風速的重現(xiàn)期采用50年一遇，設計流速應采用結構所處在范圍內可能出現(xiàn)的最大平均流速。由于通常條件下海河無水流流動，僅在夏季開閘泄洪時海河內的最大流速可達1.54m/s。因此，在計算系纜力、浮橋上的風荷載、水流力時考慮以下兩種組合：（1）50年一遇風速，海河未泄洪;（2）6級風風速，海河泄洪。

游艇系纜力、浮橋上的風荷載按《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）有關公式進行計算，水流力按《游艇碼頭設計規(guī)范》（JTS165-7-2014）有關公式進行計算。經(jīng)計算18m、15m、12m長游艇荷載見表3：

每個浮橋結構段可布置多艘游艇，受遮擋效應影響，相鄰泊位下風向的游艇所承受的風荷載將小于上風向的游艇。遮蔽效應按照《游艇碼頭設計規(guī)范》（JTS165-7-2014）的規(guī)定完全遮擋的下風船其風荷載可取無遮擋時的30%，而無遮擋時的風荷載按100%考慮。

由于規(guī)范中的遮蔽效應規(guī)定的是完全遮擋的下風船的情況，當船只在浮橋上間隔停泊時，船只之間還存在較大的間距，如18m長的游船，間隔停泊時兩船間距8.7m左右，計算中認為該情況下下風向船舶不再受到上風向船舶的遮擋。本工程浮橋定位樁計算時，考慮兩種游艇停泊方式：①浮橋全部停泊船只，下風向船按完全遮擋;②浮橋上船只間隔布置，不考慮上風向船只的遮擋作用。間隔布置的示意圖如圖7所示：

3.2水流力

定位樁上受到的水流力計算按照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）有關公式進行計算。

4 數(shù)值模型的建立

4.1數(shù)值模型的建立

本工程通過采用Autodesk Robot建立游艇碼頭浮橋及定位樁空間計算模型，定位樁采用梁單元，浮橋采用板單元，樁土相互作用通過在樁上設置彈性地基單元實現(xiàn)，彈性地基系數(shù)k根據(jù)m法計算確定。計算模型如圖8所示：

由于Robot中板單元無法直接添加集中荷載，模型中系纜力考慮轉換為船體與浮箱接觸范圍內均布線荷載施加在浮橋上，具體施加方式如圖9所示：

4.2數(shù)值模型的相關簡化

由于游艇碼頭浮箱平面布置較為靈活、浮箱面積較大、單元較多，因此在建模計算時需對計算模型進行若干簡化。

4.2.1定位樁與抱樁器的連接

為了保證浮橋結構能夠隨水位變化而上下浮動，抱樁器與定位樁之間一般留有一定的間隙，若模型中考慮間隙的存在計算模型復雜且不容易收斂，因此本計算模型假設定位樁與抱樁器之間的連接為理想的鉸接約束。但是在樁基水平受力條件下，由于縫寬位移的存在，樁基變位有所增加，致使樁基受到的內力相應增大，因此Robot模型計算出的內力值應乘以一個單樁受力增大系數(shù)。根據(jù)《游艇碼頭設計規(guī)范》（JTS165-7-2014）7.5條文說明，單樁受力增大系數(shù)介于1.06～1.60之間。本工程單樁受力增大系數(shù)取1.30。

模型中樁與板的節(jié)點處設置柔性連接，釋放樁節(jié)點在轉動方向上的約束，形成鉸接連接。

4.2.2浮橋

游艇浮橋是由若干浮箱相接，浮箱漂浮在水中，浮箱抱樁器與定位樁之間留有空隙，浮箱受到的豎向荷載與浮力平衡，浮箱僅傳遞水平荷載給定位樁。浮箱之間通過鋁合金框架連接，形成一個浮橋整體。在水平受力方向上，浮橋結構剛度遠大于定位樁剛度，因此在計算模型中，將浮箱及其上部的鋁合金框架作為一個整體，結構采用剛性板。

Robot中剛性板單元不設置有限元單位，面板無需考慮板厚，即面板的自重不參與計算，單元僅進行傳遞荷載及連接功能，可對荷載傳遞模式和板節(jié)點連接模式進行設置。根據(jù)上述簡化，抱樁器按鉸接處理，模型中板節(jié)點考慮柔性支撐，釋放板節(jié)點在轉動方向上的約束，形成鉸接連接。板單元計算模型設置見圖10：

5 計算結果

通過對兩種停泊布置分別建模計算，游艇間隔停泊不考慮上風向船只遮擋的布置方式最為不利，通過分析計算結果，浮橋由于其結構布置不均勻性，使得定位樁受力呈現(xiàn)空間分布特點，在樁基強度校核中應考慮樁基的復合受力模式。作用在樁基上的軸力、彎矩分布如圖11～14所示，圖中內力數(shù)值為Robot 模型計算值，未乘以單樁受力增大系數(shù)1.30。

考慮由于抱樁器間隙引起的單樁受力增大系數(shù)1.30，作用于樁基上最大彎矩Mx=817.01 kN·m，最大彎矩My=47.67 kN·m，最大剪力149.05kN。

6 與單樁水平向承載力計算方法的比較

對于浮碼頭定位樁計算，不采用有限元的計算方法時，可考慮每艘船的系纜力由該支浮橋上的定位樁承受，定位樁內力按水平力作用下的單樁內力計算。

以18m游船為例，該游船?？恐Ц蛏喜贾脙筛ㄎ粯?，支浮橋所受水流力、游艇系纜力由支浮橋上兩根樁共同承擔，考慮兩樁之間受力不均勻，水平力應考慮乘以不均勻系數(shù)1.50。樁基內力通過采用豐海SPCZL單樁水平承載力計算軟件計算，樁土相互作用采用m法，計算結果見圖15：

通過表4可以看出，與Robot計算結果相比，單樁水平受力計算方法中樁基頂端自由，沒有考慮到實際狀況定位樁在浮箱處受抱樁器約束，定位樁泥面以上為懸臂結構，故計算出的樁基內力偏大。同時定位樁受力只考慮浮橋臨近的樁基，通過荷載乘以不均勻系數(shù)體現(xiàn)受力不均勻性，該計算方法中可能無法準確的反映出樁基受力空間分布，計算結果明顯偏保守;Robot建模計算中，計算模型反映出浮橋對樁基頂端的約束，同時該計算模型為空間模型，作用在浮橋上的水平荷載通過浮橋傳遞給各定位樁，能更準確反映出荷載在各定位樁之間的分布。因此，綜上考慮本文認為采用Robot建模計算定位樁內力為一種更合理的計算方法。

7 結語

目前浮泊位定位樁內力規(guī)范中沒有明確的計算方法，在設計過程中缺少相應的計算依據(jù)。本文依托天津海河某游艇碼頭，介紹了采用有限元軟件Robot進行游艇浮泊位定位樁內力計算的計算思路，詳細闡述了計算過程中設計荷載計算以及建模過程中的簡化考慮。由于本工程暫未完成，該計算方法目前還缺少相應的實際使用觀測資料進行驗證，希望本文提出的計算思路能對今后的相關設計工作提供一定的參考。

參考文獻：

[1] 《游艇碼頭設計規(guī)范》（JTS165-7-2014）;

[2] 《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）;

[3] 《水運工程抗震設計規(guī)范》（JTS 146-2012）.