風(fēng)荷載作用下濱海地區(qū)水閘結(jié)構(gòu)受力特性研究

張建 陽(yáng)佳林 楊杰

摘 要：以廣東省珠海市金灣區(qū)濱海商務(wù)區(qū)機(jī)場(chǎng)東路東側(cè)主渠水閘為例，針對(duì)水閘結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載，對(duì)比研究中英美日設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算方法，分析各國(guó)方法的差異；基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，對(duì)不同風(fēng)向、規(guī)范風(fēng)壓及極端臺(tái)風(fēng)天氣下水閘結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的分布情況進(jìn)行研究；采用結(jié)構(gòu)有限元分析不同風(fēng)荷載工況下，水閘結(jié)構(gòu)的受力特性，為濱海地區(qū)水閘結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。研究結(jié)果表明：中國(guó)規(guī)范考慮風(fēng)振系數(shù)后的風(fēng)荷載值與英美日3國(guó)規(guī)范基本相當(dāng)；水閘風(fēng)向系數(shù)為0.75～1.03，風(fēng)荷載可根據(jù)水閘朝向與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角乘以一定的風(fēng)向折減系數(shù)；水閘背風(fēng)面風(fēng)荷載體型系數(shù)大于常規(guī)建筑物，建議水閘結(jié)構(gòu)按照風(fēng)敏感建筑進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算；臺(tái)風(fēng)極端天氣作用下，水閘結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載在考慮風(fēng)振系數(shù)的基礎(chǔ)上再乘以一定的放大系數(shù)，并適當(dāng)增加水閘結(jié)構(gòu)的剛度以滿足正常使用要求；考慮外海潮位及風(fēng)暴增水的疊加影響，水閘結(jié)構(gòu)地基承載力建議乘以不小于1.15的安全系數(shù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載；臺(tái)風(fēng)極端天氣；水閘結(jié)構(gòu)；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；受力特性

中圖分類號(hào)：TV222 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-9235（2024）05-0132-11

Force Characteristics of Sluice Structure in Coastal Area Under Wind Load

ZHANG Jian1，2， YANG Jialin1，2， YANG Jie3，4

（1. Zhuhai Institute of Urban Planning & Design， Zhuhai 519000， China;2. Guangdong Coastal Area Disaster Prevention andMitigation Engineering Technology Research Center， Zhuhai 519000， China;3. Nanjing Hydraulic Research Institute， Nanjing 210029，China;4. Nanjing R&D Tech Group Co.， Ltd.， Nanjing 210029， China）

Abstract： This paper takes the sluice of the main channel on the east side of East Airport Road， Jinwan Coastal Business District， Zhuhai City， Guangdong Province as an example. Given the wind load on the sluice structure， the paper compares the calculation methods of the design standards in China， the UK， the US， and Japan and analyzes the differences in calculation methods among the four countries. Based on the numerical simulation of computational fluid dynamics， it studies the distribution of wind load on sluice structure in different wind directions， standard wind pressure， and extreme weather such as typhoon. With the structural finite element method， the force characteristics of sluice structure are analyzed under different wind load conditions， which provide some reference for the wind resistance design of sluice structure in coastal areas. The research results show that the wind load value of the Chinese standard considering the wind vibration coefficient is basically the same as that of the UK， the US， and Japanese standards. The wind direction coefficient of the sluice is between 0.75 and 1.03， and the wind load can be multiplied by a certain wind reduction factor according to the angle between the sluice and the dominant wind direction. The shape factor of wind load on the leeward side of the sluice structure is larger than that of general buildings. It is suggested to define the sluice as wind-sensitive building for wind load calculation. Under extreme weather such as typhoons， the wind load of the sluice structure should be multiplied by a certain amplification coefficient considering the wind vibration coefficient， and the stiffness of the sluice structure should be appropriatelyincreased to satisfy the requirements of normal use. Considering the superimposed effect of offshore tide level and storm surge， it is recommended to multiply the bearing capacity of the sluice structure foundation by a safety factor of not less than 1.15.

Keywords： wind load; typhoon extreme weather; sluice structure; computational fluid dynamics; force characteristics

風(fēng)荷載是建筑物設(shè)計(jì)中的重要可變荷載，尤其是東南沿海臺(tái)風(fēng)經(jīng)常肆虐地區(qū)的建構(gòu)筑物，風(fēng)荷載往往具有控制作用，直接影響結(jié)構(gòu)安全和工程投資。珠海是臺(tái)風(fēng)多遇濱海城市，2017年的“天鴿”臺(tái)風(fēng)、2018年的“山竹”臺(tái)風(fēng)、2020年的“海高斯”臺(tái)風(fēng)及2023年的“蘇拉”臺(tái)風(fēng)都嚴(yán)重影響珠海，造成極大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)災(zāi)害［1］。水閘與常規(guī)建筑物有一定差異，下部為閘室，中部為閘板提升預(yù)留空間，上部為啟閉機(jī)房，因此水閘結(jié)構(gòu)屬于中間大開(kāi)孔的異形結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確計(jì)算水閘結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)荷載，并研究水閘結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)荷載工況下的受力特性，對(duì)濱海地區(qū)水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和城市防災(zāi)減災(zāi)都具有重要的工程價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬，實(shí)際工程應(yīng)用中基本采用規(guī)范計(jì)算方法和數(shù)值模擬方法計(jì)算風(fēng)荷載［2］。本文以廣東省珠海市金灣區(qū)濱海商務(wù)區(qū)機(jī)場(chǎng)東路東側(cè)主渠水閘為例，針對(duì)水閘結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載，對(duì)比研究中英美日4國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載的計(jì)算方法，分析各種方法的差異和優(yōu)劣；基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬，對(duì)不同風(fēng)向、規(guī)范風(fēng)壓及極端臺(tái)風(fēng)天氣下水閘結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載進(jìn)行研究；采用結(jié)構(gòu)有限元分析方法，對(duì)不同風(fēng)荷載工況下水閘結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行了研究。

1工程實(shí)例

珠海市金灣區(qū)濱海商務(wù)區(qū)機(jī)場(chǎng)東路東側(cè)泵閘工程位于三灶鎮(zhèn)白龍河尾濱水區(qū)主排洪渠末端出?？?，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)為30年一 遇，擋潮標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。主渠水閘具有雙向擋水、泄水功能，共10孔，單孔凈寬8 m，總凈寬80 m，閘室總寬度為100 m，水閘閘室采用兩孔一聯(lián)整體式底板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水閘閘頂高程5.40 m，閘室底板頂高程為-2.00 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)22 m，閘室結(jié)構(gòu)立面見(jiàn)圖1。

2風(fēng)荷載計(jì)算方法

結(jié)構(gòu)體系在風(fēng)作用下都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，將脈動(dòng)風(fēng)作為輸入，按隨機(jī)理論對(duì)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析是最準(zhǔn)確的方法，但過(guò)于繁瑣，只對(duì)特殊結(jié)構(gòu)形式或?qū)?dòng)態(tài)風(fēng)激勵(lì)敏感的建筑物才采用［3］。工程實(shí)際中通常采用規(guī)范計(jì)算方法計(jì)算風(fēng)荷載，中國(guó)及國(guó)外主要規(guī)范均采用等效靜力荷載法，見(jiàn)表1。根據(jù)中國(guó)、英國(guó)、美國(guó)及日本規(guī)范的計(jì)算方法，得到本工程水閘結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，見(jiàn)表2。

各國(guó)規(guī)范對(duì)風(fēng)的隨機(jī)動(dòng)力作用均采用等效靜力風(fēng)荷載，對(duì)基本風(fēng)速的定義僅在時(shí)距的取值上存在著不同［8］：美國(guó)規(guī)范取3 s，中國(guó)及日本規(guī)范取10 min，英國(guó)規(guī)范取1 h，美國(guó)規(guī)范取值最大；中美日3國(guó)規(guī)范均采用風(fēng)速沿高度指數(shù)律變化，按照梯度風(fēng)速相等原則計(jì)算風(fēng)壓高度變化系數(shù)，但英國(guó)規(guī)范中的地形及建筑物系數(shù)則考慮了地形地貌和建筑物外形比例等因素影響，與其他3國(guó)規(guī)范差別較大；對(duì)于本工程，中美日3國(guó)規(guī)范的體型系數(shù)一致，迎風(fēng)面為0.8，背風(fēng)面為-0.5，英國(guó)規(guī)范迎風(fēng)面體型系數(shù)為0.85，略大于其他規(guī)范；中美日3國(guó)規(guī)范均采用隨機(jī)振動(dòng)理論考慮風(fēng)速脈動(dòng)性，中國(guó)規(guī)范采用慣性力法，美國(guó)規(guī)范采用基于頂端位移的陣風(fēng)因子法，日本規(guī)范采用基于基底彎矩的陣風(fēng)因子法［9］，且各國(guó)對(duì)剛性結(jié)構(gòu)的定義不同，按照中國(guó)規(guī)范，本工程水閘結(jié)構(gòu)無(wú)需考慮風(fēng)振系數(shù)，但按照美國(guó)及日本規(guī)范則需考慮。

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，各國(guó)規(guī)范計(jì)算的風(fēng)荷載值存在一定差別，英國(guó)規(guī)范計(jì)算值最大，英美日規(guī)范計(jì)算值均大于中國(guó)規(guī)范，為中國(guó)規(guī)范的1.38～1.72倍；如果本工程水閘考慮風(fēng)敏感建筑物，風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)考慮風(fēng)振系數(shù)的影響，則英美日3國(guó)規(guī)范的計(jì)算值為中國(guó)規(guī)范的0.85～1.05倍，基本相當(dāng)。

3濱海地區(qū)水閘結(jié)構(gòu)受力特性分析

3.1風(fēng)工程數(shù)值模擬

計(jì)算流體力學(xué)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)近似模擬流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)而求得流體作用力的一種技術(shù)，本質(zhì)是將流體的運(yùn)動(dòng)用微分方程描述出來(lái)，通過(guò)對(duì)計(jì)算區(qū)域的離散，進(jìn)而求解得出流場(chǎng)性質(zhì)的一種方法。風(fēng)工程數(shù)值模擬是以湍流作用下的鈍體繞流為研究對(duì)象，將建筑物作為大氣流場(chǎng)中的障礙物，通過(guò)相應(yīng)計(jì)算求得空氣和建筑物相互作用的一門科學(xué)［10］。數(shù)值風(fēng)洞可以模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)體型及其周圍的空氣流動(dòng)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布、風(fēng)荷載體型系數(shù)等，克服了風(fēng)洞試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，可以方便地調(diào)整參數(shù)，研究分析不同參數(shù)的影響［11-13］。

3.1.1數(shù)值理論的基本原理

大氣邊界層中氣流的流動(dòng)狀態(tài)屬于湍流，風(fēng)體運(yùn)動(dòng)要受到物理守恒定律的約束［14］。目前，湍流數(shù)值模擬方法可以分為直接數(shù)值模擬和非直接數(shù)值模擬兩類。本文計(jì)算選用可以適應(yīng)較高精度要求的剪切流動(dòng)的 Realizable k -ε模型，壁面函數(shù)采用非平衡壁面函數(shù)，該模型控制方程如下［15］：

式中 k——湍動(dòng)能；ε——湍流耗散率；ρ——流體密度；t——時(shí)間；μ——?jiǎng)恿︷ざ认禂?shù)；ui——湍流黏度；σε、σk、C1、C2——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；μ湍動(dòng)黏度；v——運(yùn)動(dòng)黏度；E——單位質(zhì)量的總能量。

3.1.2幾何建模及網(wǎng)格劃分

水閘模型尺寸為100.0 m×22.0 m×21.5 m，計(jì)算域取長(zhǎng)方體區(qū)域，尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為500 m×300 m×150 m，見(jiàn)圖2，計(jì)算阻塞率為2.9%（<3%），滿足條件，以盡量消除計(jì)算域的設(shè)置對(duì)模型周圍流動(dòng)狀態(tài)的影響，建筑模型置于整體流域沿流向的1/3位置處。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格混合的方式，將原模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，水閘周圍采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)為100萬(wàn)左右。

模型中各邊界面的邊界條件應(yīng)當(dāng)反映實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)特性，計(jì)算域的入口邊界條件選用速度入口條件，入口風(fēng)速按照指數(shù)規(guī)律及等風(fēng)速布置，指數(shù)律風(fēng)速變化［4］：

V （z ）= V10（ ）α?????????????????? （3）

式中 V10——10 m 處高度的風(fēng)速；z ——高度；α——地貌粗糙度系數(shù)，水閘位于濱海區(qū)，取值為0.12。

對(duì)于湍流強(qiáng)度剖面的湍流動(dòng)能、湍流動(dòng)能比耗散率，采用以下公式［16］：

式中 I （z ）——湍流強(qiáng)度；Cμ——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.09；Lu——縱向平均湍流積分尺度。

流域的出口設(shè)置為壓力出口邊界，流域的頂部、兩側(cè)采用自由滑移對(duì)稱邊界條件，地面以及建筑物的表面采用無(wú)滑移的壁面條件。計(jì)算采用三維單精度，基于壓力的分離式求解器，采用 SIMPLE 算法來(lái)處理速度和壓力的耦合，各相關(guān)物理量迭代殘差的收斂限值設(shè)為0.0001。

3.2風(fēng)向影響

最大風(fēng)及最大壓力系數(shù)值可能來(lái)自任一方向，具有不確定性，風(fēng)向系數(shù)是考慮這兩種因素的發(fā)生概率對(duì)風(fēng)荷載的修正系數(shù)。英國(guó)、美國(guó)和日本規(guī)范都計(jì)及風(fēng)向修正系數(shù)，英國(guó)規(guī)范風(fēng)向修正系數(shù)根據(jù)建筑物的不同角度取值范圍為0.73～1.00；美國(guó)規(guī)范依據(jù)結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地類型對(duì)基本風(fēng)壓取風(fēng)向修正系數(shù)取值范圍為0.85～0.95；日本規(guī)范則依各地主導(dǎo)風(fēng)向取0.85～1.00［17］。中國(guó)規(guī)范中并沒(méi)有相應(yīng)的風(fēng)向修正系數(shù)。

根據(jù)珠海風(fēng)向玫瑰圖，珠海常年盛興東北風(fēng)及東南風(fēng)，本工程泵閘朝向?yàn)楸逼?0° ， 珠海主導(dǎo)最大風(fēng)向與泵閘的角度為73°及142°。為探明風(fēng)向?qū)Ρ瞄l結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的影響，模擬不同角度來(lái)風(fēng)下水閘結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)荷載大小，來(lái)風(fēng)角度取90°、75°、60°、45°及30° ， 不同工況下泵閘所受的風(fēng)壓見(jiàn)圖3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不同風(fēng)向下水閘結(jié)構(gòu)的風(fēng)向系數(shù)見(jiàn)表3。

從圖3及表3中可以發(fā)現(xiàn)，隨著來(lái)風(fēng)風(fēng)向與水閘結(jié)構(gòu)相交的角度的減少，正風(fēng)壓呈減少趨勢(shì)，負(fù)風(fēng)壓呈增大趨勢(shì)，在計(jì)算水閘結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面或背風(fēng)面圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，其風(fēng)荷載可適當(dāng)考慮風(fēng)向系數(shù)的影響；總風(fēng)壓風(fēng)向系數(shù)位于0.75～1.03，與英標(biāo)規(guī)范的風(fēng)向系數(shù)基本相似，因此，在水閘結(jié)構(gòu)平面布置確定的情況下，計(jì)算風(fēng)荷載可以根據(jù)水閘結(jié)構(gòu)朝向與當(dāng)?shù)爻Ｄ曛鲗?dǎo)風(fēng)向的夾角乘以一定的風(fēng)向折減系數(shù)。

3.3水閘結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，中國(guó)年均7個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸，臺(tái)風(fēng)登陸最頻繁的廣東省年均2.72次臺(tái)風(fēng)登陸，占比將近40%。根據(jù)實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)資料（中國(guó)臺(tái)風(fēng)網(wǎng) http：//tcdata. typhoon. org. cn），2023年9月，臺(tái)風(fēng)“蘇拉”登陸珠海金灣區(qū)，臺(tái)風(fēng)中心點(diǎn)離本項(xiàng)目13 km，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速48 m/ s；2020年8月，臺(tái)風(fēng)“海高斯”登陸珠海金灣區(qū)，臺(tái)風(fēng)中心點(diǎn)離本項(xiàng)目8 km，中心最大風(fēng)力35 m/s；2018年8月，臺(tái)風(fēng)“山竹”中心點(diǎn)離本項(xiàng)目55 km；2017年8月，臺(tái)風(fēng)“天鴿”在珠海沿海登陸，臺(tái)風(fēng)中心點(diǎn)離本項(xiàng)目15 km，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速51.9 m/s，同時(shí)疊加天文大潮影響，沿岸出現(xiàn)海水倒灌。可見(jiàn)，由于珠海地理位置及現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)極端天氣頻發(fā)，研究不同強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)水閘結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性及結(jié)構(gòu)受力具有一定的實(shí)際意義，可以為沿海水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒及方向。

3.3.1規(guī)范風(fēng)壓

基本風(fēng)壓按50年一遇的基本風(fēng)速計(jì)算，珠海設(shè)計(jì)風(fēng)壓為0.85 kPa，對(duì)應(yīng)10 m 高度處的風(fēng)速約為36.8 m/s。

規(guī)范風(fēng)壓風(fēng)速作用下，水閘結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面及背風(fēng)面的風(fēng)壓分布見(jiàn)圖4。迎風(fēng)面風(fēng)壓隨著高度變化，水閘高度越高，風(fēng)壓越大，最大值為1.04 kPa，背風(fēng)面風(fēng)壓隨高度變化較小，平均風(fēng)壓約為0.96 kPa。

3.3.2臺(tái)風(fēng)極端天氣

本工程采用近期在珠海附近登陸的“蘇拉”“天鴿”“山竹”及具有代表性的“威馬遜”臺(tái)風(fēng)的實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬方法，分析不同臺(tái)風(fēng)極端天氣作用下水閘結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載特性，不同工況下水閘結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布見(jiàn)圖5。

3.3.3計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果與規(guī)范值計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。規(guī)范風(fēng)壓作用下，迎風(fēng)面風(fēng)壓數(shù)值模擬結(jié)果與規(guī)范計(jì)算值基本一致，但背風(fēng)面風(fēng)壓荷載與規(guī)范值相差較大，可見(jiàn)，由于水閘中間預(yù)留較大閘門檢修空間，水閘結(jié)構(gòu)體型類似于中間大開(kāi)孔的異型結(jié)構(gòu)，風(fēng)通過(guò)孔洞后在水閘背面形成較大風(fēng)吸力，導(dǎo)致水閘結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)與常規(guī)建筑物有一定差別，背風(fēng)面體型系數(shù)較大；對(duì)于總體風(fēng)壓，數(shù)值模擬風(fēng)壓總荷載大于中國(guó)規(guī)范計(jì)算值，約為其1.2倍。如若水閘結(jié)構(gòu)考慮風(fēng)振系數(shù)，則其規(guī)范計(jì)算值為模擬風(fēng)荷載值的1.37倍，具有一定的安全裕度。因 此，對(duì)于水閘類異型結(jié)構(gòu)，建議定義為風(fēng)敏感建筑物，風(fēng)荷載值考慮風(fēng)振系數(shù)的影響，保證一定的安全裕度，且其風(fēng)荷載體型系數(shù)與常規(guī)結(jié)構(gòu)有差別，在計(jì)算水閘背風(fēng)面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載時(shí)，采用規(guī)范規(guī)定的風(fēng)荷載體型系數(shù)偏于不安全。

臺(tái)風(fēng)極端天氣作用下，水閘結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)荷載值大于規(guī)范設(shè)計(jì)值，為中國(guó)規(guī)范計(jì)算值的1.63～3.02倍，為考慮風(fēng)振系數(shù)后國(guó)標(biāo)計(jì)算值的1.00～1.84倍。因此，對(duì)于沿海水閘結(jié)構(gòu)，為滿足極端天氣下水閘主體結(jié)構(gòu)不破壞，應(yīng)對(duì)風(fēng)荷載取值在考慮風(fēng)振系數(shù)的基礎(chǔ)上再乘以一定的放大系數(shù)，以保證水閘結(jié)構(gòu)安全。

3.4水閘結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)上述規(guī)范風(fēng)壓及臺(tái)風(fēng)極端天氣下水閘結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載，采用結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算不同工況下水閘結(jié)構(gòu)的受力情況。不同風(fēng)荷載作用下水閘結(jié)構(gòu)的位移角（風(fēng)）及柱底彎矩統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5，基礎(chǔ)地基應(yīng)力分布見(jiàn)圖6。

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果，規(guī)范風(fēng)荷載作用下位移角有較多富余度，但在極端臺(tái)風(fēng)工況下，隨著臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的增大，結(jié)構(gòu)的風(fēng)位移角已不滿足規(guī)范要求（1/550），因此，需要適當(dāng)增加水閘結(jié)構(gòu)的剛度以滿足正常使用要求。

根據(jù)圖6計(jì)算結(jié)果顯示，由于風(fēng)荷載引起的地基應(yīng)力在水閘整體應(yīng)力的占比不大，約為10%，因此，不同臺(tái)風(fēng)工況下，地基最大應(yīng)力增大1.03～1.10倍，最小應(yīng)力為原來(lái)的0.82～0.97倍，地基應(yīng)力偏心作用增加5%左右，均滿足原地基承載力要求。但實(shí)際極端天氣工況下，外海水位遠(yuǎn)大于內(nèi)河水位，如同時(shí)疊加天文大潮潮位及風(fēng)暴增水影響，水閘外海側(cè)會(huì)受到較大的水浪壓力荷載，見(jiàn)圖7。臺(tái)風(fēng)“山竹”期間，珠海市三灶附近最大增水值約3.12 m［18］，珠澳人工島處200年一遇風(fēng)暴增水值為3.17 m，50年一遇為2.31 m［19］。由于波浪力對(duì)水閘結(jié)構(gòu)的作用力學(xué)機(jī)理比較復(fù)雜，因此本文僅考慮水位差壓力的作用，選取臺(tái)風(fēng)“山竹”及“威馬遜”工況，計(jì)算考慮內(nèi)外水位差情況下水閘結(jié)構(gòu)的地基應(yīng)力分布，其應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖8。

分析計(jì)算結(jié)果表示，在臺(tái)風(fēng)“山竹”及“威馬遜”極端天氣作用下，疊加考慮內(nèi)外水位差壓力作用影 響，地基最大應(yīng)力在原先基礎(chǔ)上再增大1.14～1.16 倍，最小應(yīng)力約為原來(lái)的0.75～0.85，偏心作用進(jìn)一 步加大，且最大應(yīng)力已經(jīng)大于原地基承載力的1.2 倍，不滿足規(guī)范要求。因此，極端天氣作用下，考慮 外海測(cè)潮位及風(fēng)暴增水的疊加影響，需要適當(dāng)增大 地基承載力的富裕度方能滿足結(jié)構(gòu)安全需求，建議乘以不小于1.15的安全系數(shù)。

4結(jié)論

以廣東珠海金灣區(qū)濱海商務(wù)區(qū)機(jī)場(chǎng)東路東側(cè)排洪泵閘工程為例，針對(duì)濱海水閘所受的風(fēng)荷載，對(duì)比研究了風(fēng)荷載計(jì)算方法，結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)及結(jié)構(gòu)有限元進(jìn)行不同風(fēng)荷載工況下水閘結(jié)構(gòu)的受力分析，得出以下結(jié)論。

a）中英美日4國(guó)規(guī)范中，英國(guó)規(guī)范風(fēng)荷載值最大，且英美日規(guī)范值均大于中國(guó)規(guī)范，為中國(guó)規(guī)范的1.38～1.72倍，但如果將本工程水閘定義為風(fēng)敏感建筑物，則英美日3國(guó)規(guī)范的計(jì)算值為中國(guó)規(guī)范的0.85～1.05倍，基本相當(dāng)。

b）通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，水閘結(jié)構(gòu)風(fēng)向系數(shù)為0.75～1.03，可以根據(jù)水閘朝向與當(dāng)?shù)爻Ｄ曛鲗?dǎo)風(fēng)向的夾角乘以一定的風(fēng)向折減系數(shù)。

c）規(guī)范風(fēng)壓作用下，水閘結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面風(fēng)壓與規(guī)范計(jì)算值基本一致，但背風(fēng)面風(fēng)壓與規(guī)范值相差較大，在計(jì)算背風(fēng)面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載時(shí)，采用規(guī)范的風(fēng)荷載體型系數(shù)偏于不安全；風(fēng)壓總荷載約為中國(guó)規(guī)范計(jì)算值的1.2倍，考慮風(fēng)振系數(shù)的規(guī)范計(jì)算值為模擬風(fēng)荷載值的1.37倍。因此，為保證一定的安全裕度，對(duì)于水閘類異型結(jié)構(gòu)，建議定義為風(fēng)敏感建筑物，風(fēng)荷載考慮風(fēng)振系數(shù)。

d）臺(tái)風(fēng)極端天氣作用下，水閘結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)荷載值約為考慮風(fēng)振系數(shù)后國(guó)標(biāo)計(jì)算值的1.00～1.84倍。因此，對(duì)于沿海水閘結(jié)構(gòu)，為滿足極端天氣下水閘主體結(jié)構(gòu)不破壞，風(fēng)荷載取值應(yīng)在考慮風(fēng)振系數(shù)的基礎(chǔ)上再乘以一定的放大系數(shù)。

e）根據(jù)水閘結(jié)構(gòu)不同風(fēng)荷載工況下的受力分析，極端天氣作用下，應(yīng)適當(dāng)增加水閘結(jié)構(gòu)的剛度以滿足正常使用要求；考慮外海側(cè)潮位及風(fēng)暴增水的疊加影響，水閘結(jié)構(gòu)的地基承載力建議乘以不小于1.15的安全系數(shù)。

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（責(zé)任編輯：向 飛）