李　武，程澤坤

（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)設(shè)計(jì)方法

李武，程澤坤

（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)是一種新型水工結(jié)構(gòu)，沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)桶式結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)行系統(tǒng)研究，并提出桶式結(jié)構(gòu)形式和主尺度估算方法、穩(wěn)定性和承載力的驗(yàn)算方法、沉降驗(yàn)算方法、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算方法，歸納桶式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定等主要設(shè)計(jì)方法，為新結(jié)構(gòu)在工程中推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

桶式結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方法；穩(wěn)定性

0　引言

隨著我國(guó)水運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展，港口建設(shè)面向較為復(fù)雜的海洋環(huán)境，風(fēng)浪、潮流、軟土地基、建材供應(yīng)等條件都要求開(kāi)發(fā)研制適合上述條件的新型結(jié)構(gòu)形式，能夠降低工程造價(jià)、提高施工速度、保護(hù)環(huán)境，許多專家工程技術(shù)人員在新型水工結(jié)構(gòu)中尋求解決辦法。

桶式結(jié)構(gòu)作為一種新型水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)被提出并應(yīng)用于水運(yùn)工程[1-2]。該新型桶式結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）桶式結(jié)構(gòu)可在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化流水線生產(chǎn)，陸域運(yùn)輸采用臺(tái)車工藝，水上長(zhǎng)途運(yùn)輸采用半潛駁，靠排氣排水下沉安裝，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響小。

2）桶式結(jié)構(gòu)工程造價(jià)低，安裝速度快，原材料用量少，符合國(guó)家“十二五”港口建設(shè)發(fā)展規(guī)劃節(jié)約資源的要求。

3）對(duì)于在軟土地基上的防波堤、駁岸、圍堤、人工島、碼頭結(jié)構(gòu)等工程領(lǐng)域，尤其是深水區(qū)域有廣闊的應(yīng)用前景。

4）該結(jié)構(gòu)還可應(yīng)用在外海筑島的護(hù)岸、近海風(fēng)電、近海石油平臺(tái)等工程的軟土地基、黏土地基及砂土地基中，也可以推廣到軟土地基上建造高速公路和鐵路工程中。

在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面具有優(yōu)勢(shì)，但尚有許多技術(shù)難題需要進(jìn)一步解決。因此，本文研究桶式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1　結(jié)構(gòu)形式和主尺度估算方法

1.1結(jié)構(gòu)形式

桶式結(jié)構(gòu)可解決軟土地基承載力低的問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)形式的選擇與結(jié)構(gòu)空間尺度、地質(zhì)條件及施工條件等密切相關(guān)。桶式結(jié)構(gòu)是采用空間殼體結(jié)構(gòu)將軟土封閉在內(nèi)，與結(jié)構(gòu)共同形成傳力介質(zhì)，來(lái)提高地基承載力。但是空間殼體結(jié)構(gòu)受力性能較好的一般采用曲面和平面組合圍成異形空間?？紤]施工方便結(jié)構(gòu)外形宜采用圓柱面和平面組成，但是平面尺度不宜過(guò)大，一般取6～8 m。桶式結(jié)構(gòu)還需浮運(yùn)，需要通過(guò)劃分隔倉(cāng)增加浮運(yùn)穩(wěn)定性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)方向最少要布置2個(gè)隔倉(cāng)，一般每個(gè)方向布置3～4個(gè)隔倉(cāng)較為經(jīng)濟(jì)。

1.1.1單桶多隔倉(cāng)形式

單桶多隔倉(cāng)形式見(jiàn)圖1，包括基礎(chǔ)桶體1和上部筒體7；基礎(chǔ)桶體1內(nèi)設(shè)有多塊隔板2和桶壁4組成；基礎(chǔ)桶體1頂部設(shè)有第一蓋板6，蓋板6上設(shè)通氣孔5，同時(shí)第一蓋板6上還設(shè)有杯口3，上部筒體7插入杯口3中；上部筒體7頂部設(shè)有擋浪墻8和第二蓋板9。

圖1　單桶多隔倉(cāng)形式Fig.1　Single bucket with multiple cabins

1.1.2扶壁式基礎(chǔ)岸壁結(jié)構(gòu)形式

扶壁式基礎(chǔ)岸壁結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，包括基礎(chǔ)桶體1，基礎(chǔ)桶體1內(nèi)設(shè)多塊隔板2和桶壁5；基礎(chǔ)桶體1頂部還設(shè)有蓋板4，蓋板4上開(kāi)有多個(gè)通氣孔3；基礎(chǔ)桶體1之上設(shè)上部扶壁豎向前壁板6、肋壁板7、底板8、壓頂板9和壓底回填石10。

圖2　扶壁式基礎(chǔ)岸壁結(jié)構(gòu)Fig.2　Counterfort foundation

1.2主尺度設(shè)計(jì)原則

桶式結(jié)構(gòu)的主尺度設(shè)計(jì)方法主要由使用功能、穩(wěn)定和施工條件控制。對(duì)桶式結(jié)構(gòu)分為上筒和下桶兩部分，上筒結(jié)構(gòu)斷面尺度根據(jù)使用功能確定，按直立式結(jié)構(gòu)的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)；下桶結(jié)構(gòu)斷面尺度不僅要考慮穩(wěn)定性，還要考慮施工條件。因此下桶結(jié)構(gòu)斷面尺度要滿足以下條件：

1）下桶高度應(yīng)滿足承載力和穩(wěn)定要求，對(duì)于后方回填材料的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)入持力層不小于1.0 m；

2）下桶的長(zhǎng)度滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求；

3）下桶的寬度滿足施工條件要求。

2　結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力的驗(yàn)算方法

2.1結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算前提

參考重力式計(jì)算法、摩擦阻力方法和無(wú)錨板樁方法，提出條件極限平衡計(jì)算方法。該方法的思路是假設(shè)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部土體發(fā)生剛體小轉(zhuǎn)動(dòng)，合力中心位置不因轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生改變，桶內(nèi)土體參與抗傾計(jì)算的重量根據(jù)真空度和桶壁摩擦力確定；豎向和水平向極限平衡互不影響（結(jié)構(gòu)各個(gè)方向受力平衡）；極限彎矩平衡是根據(jù)地基承載力的極限分布形式計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3　條件極限平衡計(jì)算方法計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3　Calculating sketch of the conditional limit equilibrium method

計(jì)算步驟為：

1）轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)判斷，對(duì)結(jié)構(gòu)取隔離體，把結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)內(nèi)土體看成剛體放在剛性地面上，剛性面以上的外荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)。把這些力平移到結(jié)構(gòu)底面中心上，求出合偏心力距，確定結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)方向。

2）計(jì)算水平和豎向的合力，求出地基反力。

3）根據(jù)極限承載力和地基反力，求出極限彎矩平衡下地基反力分布形式。

4）求出地基反力的合力，并計(jì)算與豎向合力形成的極限力矩。

5）計(jì)算對(duì)底面中心的極限抗傾力矩與對(duì)底面中心的傾覆彎矩之比，確定抗傾安全系數(shù)。

2.2抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)圖3水平向力平衡示意圖，得到斷面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式為：

式中：γo為桶式結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γo=1.0；γd為桶式結(jié)構(gòu)等級(jí)系數(shù)，γd=1.1；γG為桶式結(jié)構(gòu)及桶內(nèi)土體自重與桶底面土體的摩擦阻力分項(xiàng)系數(shù)，取γG=1.0；Gst為桶式和上部結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算水位以下按浮重度計(jì)算，kN；Gs1為桶式結(jié)構(gòu)底面以上土體自重標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算水位以下按浮重度計(jì)算，kN；f為桶式結(jié)構(gòu)及桶內(nèi)土體自重與桶底面土體的摩擦系數(shù)；γEp為被動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)；γEa為主動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)；Ea為主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Ep為被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Ks為被動(dòng)土壓力折減系數(shù)，根據(jù)桶體水平位移情況選取；Pw為泥面以上墻體上的水平波浪力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；c為桶底面土體的黏聚力，kN/m2；B為桶底有效面積，m2；γp為波浪水平力分項(xiàng)系數(shù)，γp=1.3（極端高水位取1.2）；γc為黏聚力分項(xiàng)系數(shù)，γc=1.0。

2.3承載力計(jì)算

根據(jù)圖3平衡示意圖，桶式結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力按自線分布考慮，基底應(yīng)力的值按重力式碼頭的基底應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，具體參照J(rèn)TS 167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》。

桶式結(jié)構(gòu)底面的地基豎向極限承載力，可用JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》中關(guān)于豎向極限承載力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，并確定地基的允許承載力。

2.4抗傾穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)圖3平衡示意圖，對(duì)桶底轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的力矩平衡，可求出抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中：γo為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，γo=1.0；γp為波浪水平力分項(xiàng)系數(shù)，γp=1.3（極端高水位取1.2）；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，γd=1.35；γG為結(jié)構(gòu)和土體自重產(chǎn)生的摩擦阻力分項(xiàng)系數(shù)，取γG=1.0；γEp為被動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)，取γEp=1.0；γEa為主動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)，取γEa=1.35；MGst為桶式和上部結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)桶式底轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定力矩，kN·m；MGs1為桶式內(nèi)的土體（考慮部分土體參與抗傾，其余部分靠摩擦力提供抗傾）和上部結(jié)構(gòu)內(nèi)的填土自重標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)桶式底轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定力矩，kN·m；MEa為桶體前側(cè)的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)桶式底轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定力矩，kN·m；MEp為桶體前側(cè)的被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)桶式底轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定力矩，kN·m；Ks為桶體前側(cè)的被動(dòng)土壓力折減系數(shù)，在0.3～1.0之間根據(jù)所允許的桶式水平位移情況選取。

采用該方法計(jì)算桶式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有如下特點(diǎn)，地基反力產(chǎn)生的極限抵抗距受結(jié)構(gòu)豎向合力的控制和地基極限承載力雙因素控制，一般隨豎向合力的控制和地基極限承載力的增大而增大，不受轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置控制，只與外荷載分布形式相關(guān)，符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。而且計(jì)算參數(shù)少，利于使用者掌握。

3　桶式結(jié)構(gòu)變形沉降驗(yàn)算方法

計(jì)算固結(jié)沉降量Sc時(shí)，采用分層總和法，利用各土層e-p曲線計(jì)算各土層壓縮量。計(jì)算公式如下：

式中：SC為固結(jié)沉降量，cm；e1i為第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力作用下的孔隙比；hi為第i層土厚度，cm；MS為修正系數(shù)。

桶式結(jié)構(gòu)和筒箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)都沒(méi)有對(duì)地基進(jìn)行處理，桶內(nèi)淤泥由于排水通道不暢，沉降緩慢，使用期的沉降量根據(jù)使用時(shí)間來(lái)計(jì)算。

4　桶式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算

4.1設(shè)計(jì)工況

根據(jù)桶式結(jié)構(gòu)的施工工藝和使用期間外荷載情況，確定設(shè)計(jì)工況如下：

1）桶式結(jié)構(gòu)預(yù)制及出運(yùn)期間，設(shè)計(jì)工況：桶式結(jié)構(gòu)自重。

2）氣浮期間，設(shè)計(jì)工況：桶式結(jié)構(gòu)+桶內(nèi)氣浮壓力。

3）安裝期間，桶式結(jié)構(gòu)安裝主要通過(guò)排氣排水下沉，通過(guò)真空泵抽取下桶內(nèi)封閉的氣體和水體，將其排放到桶外，使大氣壓力和桶外水體壓力共同作用于桶體上，把桶體壓入地基中，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高（圖4）。

圖4　下沉施工期間結(jié)構(gòu)圖示Fig.4　Sketch of the settling in construction period

下沉安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)桶式結(jié)構(gòu)偏位，使桶體發(fā)生傾斜，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整糾偏。調(diào)整過(guò)程是通過(guò)控制某個(gè)或多個(gè)倉(cāng)格內(nèi)氣體或水體的排放量，改變倉(cāng)格內(nèi)的壓強(qiáng)，即倉(cāng)格原壓強(qiáng)為P，調(diào)整壓強(qiáng)為△P，結(jié)構(gòu)受到總壓強(qiáng)為P+△P。

4）使用期間，設(shè)計(jì)工況1：自重+波浪荷載；設(shè)計(jì)工況2：自重+波浪荷載+桶后回填土荷載。

4.2桶式結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算方法

桶式結(jié)構(gòu)為空間殼體結(jié)構(gòu)，采用理論計(jì)算很難求得精確解析解，因此需要借助有限元方法來(lái)模擬計(jì)算結(jié)構(gòu)受外荷載作用下的內(nèi)力。一種方式是直接將結(jié)構(gòu)放到實(shí)際受力環(huán)境中模擬，另一種是將波浪、土體與結(jié)構(gòu)相互作用簡(jiǎn)化為外力作用于結(jié)構(gòu)上。下面介紹兩種數(shù)值模型建模方法及對(duì)比分析。

1）實(shí)際受力環(huán)境模型

土體-結(jié)構(gòu)相互作用模型需要建立土體和結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，并通過(guò)接觸單元模擬結(jié)構(gòu)和土體的相互作用行為。本文通過(guò)國(guó)際著名的有限元軟件ABAQUS 6.10求解這一問(wèn)題。在建模過(guò)程中，土體采用彈塑性本構(gòu)模型，混凝土采用彈性本構(gòu)模型，然后建立兩者之間的接觸行為。

2）簡(jiǎn)化計(jì)算模型

采用實(shí)體單元（Solid Element）或殼體單元（Shell Element）進(jìn)行離散。由于本結(jié)構(gòu)厚度小，結(jié)構(gòu)尺寸大，采用實(shí)體單元計(jì)算時(shí)，沿厚度方向應(yīng)有足夠的單元數(shù)量，避免因?yàn)槌叽缧?yīng)引起結(jié)果精確度不高，由于模型不考慮土體，計(jì)算量大大減小，可考慮采用高階單元，使得結(jié)果更接近于能量理論解答。桶體中板的跨度與厚度比值較大，更適合采用殼單元進(jìn)行計(jì)算，殼體單元厚度方向應(yīng)該設(shè)置足夠的積分點(diǎn)數(shù)目，提高計(jì)算精度。

4.3結(jié)構(gòu)配筋方法

通過(guò)分析混凝土領(lǐng)域諸多規(guī)范對(duì)配筋方法的規(guī)定，探討內(nèi)力法和應(yīng)力法配筋的一般特點(diǎn)，結(jié)合桶式結(jié)構(gòu)的基本特征，提出了本工程中桶式結(jié)構(gòu)的構(gòu)件基于有限元分析的配筋設(shè)計(jì)方法；另外，桶式結(jié)構(gòu)的多個(gè)構(gòu)件屬于雙向板，其裂縫寬度計(jì)算方法尚不完善，國(guó)內(nèi)規(guī)范沒(méi)有相關(guān)具體規(guī)定。

我國(guó)現(xiàn)行的混凝土規(guī)范（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）關(guān)于裂縫寬度計(jì)算部分，主要適用于梁、單向板等單向受彎構(gòu)件的裂縫寬度計(jì)算，對(duì)于其是否適用于雙向板尚缺乏理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。在國(guó)內(nèi)，由于混凝土雙向板受力特性復(fù)雜的特點(diǎn)，其裂縫寬度計(jì)算方法的研究尚處于初步階段。因此，在本課題計(jì)算中，仍然以國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定計(jì)算裂縫寬度。

5　設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定

新型桶式結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循如下技術(shù)規(guī)定：

1）桶式結(jié)構(gòu)的下桶具有密閉性，施工下沉完成后，能夠繼續(xù)保持密閉性，水不能通過(guò)蓋板和桶壁進(jìn)入桶內(nèi)。

2）桶式結(jié)構(gòu)的上筒，在防波堤設(shè)計(jì)時(shí)不進(jìn)行回填，在岸壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)筒內(nèi)可回填，也可不進(jìn)行回填。

3）在方案設(shè)計(jì)、可研設(shè)計(jì)階段，桶體穩(wěn)定性可以按簡(jiǎn)化公式估算，初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段，還需采用數(shù)值分析進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)兩者結(jié)論差異較大時(shí)，采用物模進(jìn)行再次校驗(yàn)。

4）有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主被動(dòng)土壓力，不能作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主導(dǎo)力，在穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，被動(dòng)土壓力按計(jì)算值打0.7折使用。

5）桶式結(jié)構(gòu)宜按自浮式設(shè)計(jì)，盡力避免使用輔助設(shè)備助浮。

6）桶式結(jié)構(gòu)一般按受壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)有上浮要求時(shí)，應(yīng)按受拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

7）設(shè)計(jì)荷載組合分為施工期和使用期，施工期荷載分項(xiàng)系數(shù)，可根據(jù)荷載性質(zhì)取低值，使用期荷載分項(xiàng)系數(shù)與重力結(jié)構(gòu)相同。

8）桶式結(jié)構(gòu)的沉降完成時(shí)間較長(zhǎng)，一般可以覆蓋結(jié)構(gòu)使用壽命期，應(yīng)充分考慮沉降和后期處理措施。

6　工程設(shè)計(jì)實(shí)例

6.1設(shè)計(jì)條件

連云港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程[3-4]，根據(jù)自然條件和施工條件，采用桶式防波堤結(jié)構(gòu)，計(jì)算條件見(jiàn)表1、表2。

表1　防波堤沿線外側(cè)50 a一遇設(shè)計(jì)波要素（極端高水位）Table 1　Design wave parameters out of the breakwater with the recurrence interval of 50 years(extreme high water level)

表2　土層物理力學(xué)性指標(biāo)Table 2　Physical mechanics indicators of the soil stratum

基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，長(zhǎng)軸30 m，短軸20 m，桶內(nèi)通過(guò)隔板劃分9個(gè)隔倉(cāng)，外桶壁厚0.4 m（底部4 m范圍為0.3 m），中間隔倉(cāng)板厚0.3 m，隔倉(cāng)頂部沿短軸方向設(shè)4道2 m高肋梁，梁寬0.4 m，桶式基礎(chǔ)底端需進(jìn)入淤泥層下黏土層1.5～2 m，根據(jù)地質(zhì)資料確定，下桶高度為9.5～11 m。2個(gè)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，部分上筒及基礎(chǔ)桶一起陸上預(yù)制，根據(jù)施工水位及施工船機(jī)設(shè)備的能力，確定上筒預(yù)制鋸齒狀拼縫中心頂標(biāo)高3.5 m，上筒其余筒體待下桶沉放就位后水上現(xiàn)澆施工，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，后期預(yù)留沉降量0.3 m，施工期控制擋浪墻頂標(biāo)高10.8 m（圖5）。

圖5　桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖Fig.5　Sketch of the bucket-based structure

6.2計(jì)算工況

參考防波堤規(guī)范，并結(jié)合桶式結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，考慮3種設(shè)計(jì)狀況：

1）持久狀況：按防波堤規(guī)范要求進(jìn)行組合。

①自重+波浪荷載

②自重+波浪荷載+局部均載（10 kN/m2）

2）短暫狀況：在施工期應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)的短暫組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要時(shí)按正常使用極限狀態(tài)的短暫組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

作用效應(yīng)組合：

①自重+負(fù)壓荷載

②自重+糾偏負(fù)壓荷載

③自重+浮運(yùn)荷載自重+施工荷載

3）地震狀況：在使用期受到地震作用時(shí)，按JTS 146—2012《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，僅按承載能力極限狀態(tài)的地震組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

作用效應(yīng)組合：自重+地震慣性力

以上組合均應(yīng)考慮不同設(shè)計(jì)水位，按最不利情況計(jì)算。

6.3計(jì)算結(jié)果

主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3～表9。

表3　結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性計(jì)算表Table 3　Calculation table of the stability against sliding

表4　結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性計(jì)算表Table 4　Calculation table of the stability against overturning

表5　荷載作用下地基應(yīng)力Table 5　Stress of the foundation under loads

表6　直立式結(jié)構(gòu)東防波堤沉降計(jì)算表Table 6　Calculation table of the settlement of the east up-right breakwater

表7　內(nèi)力計(jì)算結(jié)果Table 7　Internal forces calculation results

表8　浮游計(jì)算條件和結(jié)果表Table 8　Calculation conditions and results during floating

表9　下沉到位時(shí)下沉阻力和下沉力對(duì)比表Table 9　Contrast of the sinking resistance and sinking force when the sinking is in place

根據(jù)本文設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出桶式防波堤結(jié)構(gòu)，主要計(jì)算結(jié)果都符合工程要求。

6.4工程實(shí)體

連云港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程實(shí)施基本完成。施工過(guò)程中主要設(shè)計(jì)工況沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，由此說(shuō)明按本文設(shè)計(jì)方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，能夠滿足工程需要，本文提出的設(shè)計(jì)方法可以作為該結(jié)構(gòu)推廣使用的理論技術(shù)依據(jù)。

7　結(jié)語(yǔ)

本文研究了工程設(shè)計(jì)中的估算方法和驗(yàn)算方法，給出了具體的計(jì)算公式和設(shè)計(jì)規(guī)定。根據(jù)設(shè)計(jì)的深度，不同設(shè)計(jì)階段采用不同的估算方法和驗(yàn)算方法。在方案設(shè)計(jì)和可研設(shè)計(jì)階段，一般采用理論計(jì)算方法。在初步設(shè)計(jì)和施工圖階段，除了進(jìn)行理論計(jì)算外，還應(yīng)采用數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于特殊地質(zhì)或波浪條件，除理論計(jì)算和數(shù)值分析外，還要進(jìn)行物模試驗(yàn)。

[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 bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering,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(guó)港灣建設(shè)，2012（5）：14-18. LI Wu,CHEN Su,CHENG Ze-kun,et al.Stability study of bucket-based 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.

Design method of bucket-based structure

LI Wu,CHENG Ze-kun
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Bucket-based structure is a new kind of configuration in port and waterway engineering and has no corresponding design method.Aimed at the characteristics of bucket-based structure,we carried a series of systematic studies,and put forward a method for the estimation of bucket-based structure and main dimensions,and the calculation method of stability, bearing capacity,settlement and strength,and summarized the main design methods,such as the technical regulation of bucket structure design and so on.The study can provide a technical support for popularization and application of the new structure in engineering.

bucket-based structure;design method;stability

U656.2；TU441.35

A

2095-7874（2016）03-0019-07

10.7640/zggwjs201603005

2016-01-07

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(jí)工程師，從事港口工程設(shè)計(jì)、管理、咨詢工作。E-mail：liw@theidi.com