重力墩式圓沉箱基床頂應(yīng)力三維分析研究

吉 明，周 玥

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

重力墩式圓沉箱結(jié)構(gòu)由于其整體結(jié)構(gòu)耐久性好、水阻小、泊穩(wěn)及受力條件好、造價(jià)相對(duì)方沉箱較低等優(yōu)點(diǎn)在外海地質(zhì)條件較好區(qū)域應(yīng)用廣泛。

基床頂應(yīng)力是衡量沉箱結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，區(qū)別于岸壁式結(jié)構(gòu)，大多數(shù)墩式沉箱碼頭結(jié)構(gòu)的波浪、系纜力等均為非正向作用，即結(jié)構(gòu)受斜向作用明顯，傳統(tǒng)的以單個(gè)方向計(jì)算基頂應(yīng)力的方法存在一定的誤差。本文結(jié)合工程實(shí)例采用三維分析的方法對(duì)重力墩式圓沉箱基頂應(yīng)力進(jìn)行分析，研究沉箱基頂合理的應(yīng)力分布受力狀態(tài)。

1 工程概述

某20 萬(wàn)t 級(jí)礦石碼采用圓沉箱重力墩式結(jié)構(gòu)，最南側(cè)為單墩的獨(dú)立沉箱結(jié)構(gòu)。獨(dú)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(nèi)為十字型隔墻，厚度為0.25 m，底板厚度為0.8 m，外側(cè)趾長(zhǎng)為2.0 m。沉箱底部設(shè)置0.6 m 厚度的拋石基床，沉箱頂為預(yù)安扇形塊、現(xiàn)澆塊等構(gòu)件，采用鋼聯(lián)橋與平臺(tái)連接。碼頭前沿設(shè)兩鼓一板SUC2250H 鼓型橡膠護(hù)舷，墩臺(tái)頂均設(shè)2 柱1 500 kN 脫纜鉤。

獨(dú)立墩式沉箱結(jié)構(gòu)平面布置及斷面分別見(jiàn)圖1、2所示。

圖1 平面示意圖

圖2 斷面示意圖

1.1 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高水位4.64 m（高潮累積頻率10 %的潮位）；設(shè)計(jì)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(xiàn)期五十年的年極值高水位）；極端低水位-0.73 m（重現(xiàn)期五十年的年極值低水位）。

1.2 設(shè)計(jì)波浪

本工程設(shè)計(jì)波浪要素見(jiàn)表1。

表1 碼頭前沿50 年一遇波浪要素

2 墩式結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

考慮到墩式結(jié)構(gòu)三維受力的特性，設(shè)計(jì)將所有受力折算到以南北方向?yàn)閄 軸，東西方向?yàn)閅軸，沉箱底板為平面的坐標(biāo)系中，底板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，底板向下為Z 軸正向，如圖3 所示。

圖3 墩式結(jié)構(gòu)受力圖

所有結(jié)構(gòu)受力與坐標(biāo)軸方向一致為正，其中彎矩按右手法則考慮。

2.1 結(jié)構(gòu)自重

表2 墩式結(jié)構(gòu)自重計(jì)算表

2.2 船舶荷載[1]

表3 墩式結(jié)構(gòu)船舶荷載

2.3 波浪力[2]

1）水平向波浪力

根據(jù)規(guī)范判定條件，不同設(shè)計(jì)水位條件下的D/L＜0.2，波浪對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)的水平作用采用小尺度柱計(jì)算。沉箱及上部結(jié)構(gòu)所受最大水平向波浪荷載如下表所示。

表4 墩式結(jié)構(gòu)最大水平向波浪荷載

2）波浪浮托力

由于規(guī)范中對(duì)小尺度柱全相位無(wú)浮托力計(jì)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(jì)算。

根據(jù)復(fù)核計(jì)算，沉箱最大正向水平總波浪力對(duì)應(yīng)的相位為270°，但根據(jù)附錄Q 對(duì)應(yīng)相位計(jì)算PU和MU均為負(fù)值，對(duì)應(yīng)的墩底周邊浮托力強(qiáng)度也為負(fù)值（波吸力作用），其浮托力及彎矩均產(chǎn)生與波浪水平向作用的反作用力，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利。李炎保等[3]對(duì)墩式結(jié)構(gòu)的波浪浮托力進(jìn)行研究時(shí)也表明，最大水平向總波浪力與最大浮托力產(chǎn)生的相位不同步，因此為確保結(jié)構(gòu)受力安全，浮托力采用規(guī)范附錄Q 最大浮托力及相應(yīng)彎矩進(jìn)行計(jì)算。

表5 墩式結(jié)構(gòu)波浪浮托力及彎矩計(jì)算表

3 基頂應(yīng)力分析[4]

基床頂應(yīng)力可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：σ為基床頂面應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；N為作用于基床頂面的豎向合力標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值（kN·m）；W為截面抗彎系數(shù)。

3.1 主要計(jì)算工況

在本工程中沉箱墩式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)出現(xiàn)的可能，采用最不利情況進(jìn)行組合計(jì)算。

組合工況1：自重力+波浪力（極端高水位：1-1；設(shè)計(jì)高水位：1-2）

組合工況2：自重力（設(shè)計(jì)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(yīng)力分析

1）平面應(yīng)力分析

基床頂應(yīng)力采用平面分析時(shí)，彎矩不考慮繞Y 軸作用，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 沉箱結(jié)構(gòu)基床頂應(yīng)力平面分析計(jì)算表1

考慮本工程獨(dú)立墩受波浪力、系纜力斜向作用明顯，綜合結(jié)構(gòu)的安全性要求，將波浪、系纜作用方向調(diào)整為垂直中心軸方向受力進(jìn)行計(jì)算（作用力垂直中心軸受力），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7：

表7 沉箱結(jié)構(gòu)基床頂應(yīng)力平面分析計(jì)算表2

工況2-2 基頂最小應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，應(yīng)進(jìn)行基床頂應(yīng)力重新分配計(jì)算。分配的原則滿足平截面假定，其應(yīng)力狀況如圖4 所示。圖中D為沉箱底直徑，Xd為應(yīng)力分布范圍，σmax為應(yīng)力重新分配后的最大應(yīng)力。通過(guò)等式(2)(3)聯(lián)立求出：工況2-2 重新分配的最大基床頂應(yīng)力σmax=564.2 kPa；Xd=15.411 m。

圖4 應(yīng)力圖

2）三維應(yīng)力分析

考慮波浪力、系纜力斜向作用，三維應(yīng)力分析考慮X、Y 軸所受彎矩狀況，將所有MX、MY彎矩進(jìn)行數(shù)值疊加后根據(jù)平行四邊形法則折合總彎矩M，并以此計(jì)算沉箱結(jié)構(gòu)基頂應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 沉箱結(jié)構(gòu)基床頂應(yīng)力三維分析計(jì)算表

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

3）應(yīng)力對(duì)比分析

a.采用平面應(yīng)力分析沉箱基床頂應(yīng)力由于忽略斜向波浪、系纜等荷載繞Y 軸作用彎矩，基頂應(yīng)力明顯偏小，設(shè)計(jì)時(shí)采用此計(jì)算模式偏于危險(xiǎn)；

b.表7 計(jì)算數(shù)值將斜向作用的波浪力、系纜力折算到主應(yīng)力受力方向，是一般工程常用的空間結(jié)構(gòu)受力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，計(jì)算應(yīng)力較按表8 按實(shí)際受力狀況計(jì)算的應(yīng)力值稍大，滿足結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)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(jìn)行數(shù)值疊加后進(jìn)行折合彎矩計(jì)算沉箱基頂應(yīng)力方法，反應(yīng)了沉箱基床的實(shí)際受力狀況；

d.按沉箱基床的實(shí)際受力狀況計(jì)算的應(yīng)力重新分布的基頂最大應(yīng)力548.7 kPa，較簡(jiǎn)化計(jì)算基頂最大應(yīng)力減少15.5 kPa。

4 結(jié)語(yǔ)

1）三維分析基床頂應(yīng)力的計(jì)算方法更符合工程實(shí)際，有條件時(shí)推薦采用。

2）將斜向作用折算到基頂主應(yīng)力受力方向，是一般工程常用的重力墩式空間結(jié)構(gòu)基頂受力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

3）重力墩式結(jié)構(gòu)忽略斜向荷載僅按單向受力計(jì)算基頂應(yīng)力的模式明顯偏于危險(xiǎn)。

4）重力墩式沉箱結(jié)構(gòu)三維受力特性明顯，基頂最小應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值應(yīng)進(jìn)行合理的應(yīng)力重新分配計(jì)算。