陳海峰，陳允才

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032；2.連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道建設(shè)指揮部，江蘇連云港222042）

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桶式結(jié)構(gòu)內(nèi)力研究

陳海峰1，陳允才2

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032；2.連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道建設(shè)指揮部，江蘇連云港222042）

桶式結(jié)構(gòu)在深厚軟泥土沿海工程中逐漸引起關(guān)注并應(yīng)用于工程實(shí)踐，但桶式結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算方法尚未得到解決。文章結(jié)合連云港防波堤工程，采用數(shù)值模擬方法和原位監(jiān)測(cè)方法，分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力；在合理的設(shè)計(jì)工況條件下，對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果與原位監(jiān)測(cè)結(jié)果；根據(jù)監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化規(guī)律，針對(duì)糾偏設(shè)計(jì)荷載和桶蓋板所受外荷載，修正設(shè)計(jì)工況，為桶式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

桶式結(jié)構(gòu)；軟土地基；防波堤

0　引言

桶式結(jié)構(gòu)是一種適用于近海軟土地基的新型結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)由安裝在水下土中的基礎(chǔ)部分和其上的墻體部分組成，上下兩部分是聯(lián)體的。基礎(chǔ)部分為一倒扣的桶體，在桶體中設(shè)有隔板。上部墻體可以為直立圓筒或其它結(jié)構(gòu)。當(dāng)桶式結(jié)構(gòu)作為防波堤結(jié)構(gòu)與地基土體相結(jié)合時(shí)，具有以下特點(diǎn)：首先，桶式結(jié)構(gòu)是一種全新的較大尺度的輕型剛性結(jié)構(gòu)，其自重較輕，因此，給地基施加的豎向荷載較??；第二，桶式結(jié)構(gòu)本身是一種薄壁結(jié)構(gòu)，加上內(nèi)隔板使得它與地基土接觸的面積很大，能將桶結(jié)構(gòu)所承受的豎向荷載和側(cè)向荷載合理分布到較大面積的海底地基土體上。在承受豎向荷載時(shí)，能充分發(fā)揮下桶內(nèi)外壁兩面與地基土的摩擦作用；在承受側(cè)向荷載時(shí)，能充分發(fā)揮下桶內(nèi)外側(cè)壁所受到的側(cè)向限制作用。另外，下桶在下沉就位后，所有通氣孔被密封，桶內(nèi)土體與桶體結(jié)構(gòu)側(cè)壁發(fā)生相對(duì)位移時(shí)將受到真空吸力作用，這樣，下桶基礎(chǔ)與桶內(nèi)地基土就形成為一個(gè)整體，共同承受波浪荷載、冰荷載等橫向荷載作用而保持穩(wěn)定[1-4]。

然而，桶式結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜，與施工期和使用期荷載都密切相關(guān)，目前還未有該結(jié)構(gòu)的有效的計(jì)算方法。因此，本文依托連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程，利用數(shù)值模擬和原位試驗(yàn)等手段，研究桶式結(jié)構(gòu)的內(nèi)力控制條件，優(yōu)化結(jié)構(gòu)斷面形式，為新型桶式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1　結(jié)構(gòu)形式

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。標(biāo)準(zhǔn)桶式結(jié)構(gòu)每一組結(jié)構(gòu)構(gòu)件由1個(gè)基礎(chǔ)桶體和2個(gè)上部筒體組成?；A(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，0.4 m寬肋梁，桶式結(jié)構(gòu)底端需要進(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)高為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)高為10.8 m。詳見(jiàn)圖1。

圖1　桶式結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Configuration of the bucket

2　計(jì)算工況

根據(jù)桶式結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)和使用要求，結(jié)合施工期現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，擬定施工期的計(jì)算工況為：

1）陸域運(yùn)輸荷載工況1：自重荷載。

2）海上運(yùn)輸荷載工況2：氣浮荷載（53.69 kPa（0.53大氣壓），分項(xiàng)系數(shù)1.05）。

3）下沉荷載工況

工況3：自重+負(fù)壓荷載（自重入土深度4.5 m）；

工況4：自重+負(fù)壓荷載（入土深度6 m）；

工況5：自重+負(fù)壓荷載+壓載（入土深度8 m）；

工況6：自重+糾偏負(fù)壓荷載23.30 kPa（0.23大氣壓)，各個(gè)隔倉(cāng)的壓力差；入土深度4.5 m）；

工況7：自重+負(fù)壓荷載+糾偏負(fù)壓荷載23.30 kPa（0.23大氣壓)，各個(gè)隔倉(cāng)的壓力差；入土深度6m）；

工況8：自重+負(fù)壓荷載+糾偏負(fù)壓荷載20.26 kPa（0.2大氣壓)，各個(gè)隔倉(cāng)的壓力差；入土深度8m）。

3　數(shù)值模擬結(jié)果

不同工況結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)力結(jié)果（承載能力極限狀態(tài)，單寬板帶值）如圖2。圖中SM1為結(jié)構(gòu)水平向單寬板帶彎矩（對(duì)于頂板，矢量垂直于短軸方向），N·m；SM2為結(jié)構(gòu)豎直向單寬板帶彎矩（對(duì)于頂板，為長(zhǎng)軸方向），N·m。

由圖2所示，桶式結(jié)構(gòu)在自重作用下，下桶最大彎矩出現(xiàn)在下桶外壁平板處，水平向單寬彎矩110 kN·m，豎向單寬彎矩100 kN·m，最大軸力出現(xiàn)在下桶隔板底端板帶處，單寬最大軸力1763kN。

圖2　工況1計(jì)算結(jié)果Fig.2　Calculation results of working Condition 1

桶式結(jié)構(gòu)在氣浮荷載作用下，桶體響應(yīng)的最大彎矩小于自重荷載產(chǎn)生的彎矩，彎矩分布比較均勻。

由圖3所示，桶式結(jié)構(gòu)在下沉荷載作用下，桶體響應(yīng)的最大彎矩分布在蓋板與桶壁交界處，或蓋板與隔板的交界處，水平向單寬彎矩為142 kN·m，豎向單寬彎矩為148 kN·m，其他部位的彎矩都較小。

圖3　工況5計(jì)算結(jié)果Fig.3　Calculation results of working condition 5

桶式結(jié)構(gòu)在自重荷載和糾偏荷載作用下，桶體響應(yīng)的最大彎矩分布在隔板上，其大小與相對(duì)下沉荷載產(chǎn)生的響應(yīng)彎矩小很多，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不起控制作用。

4　原位試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)桶式結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的研究結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)在浮運(yùn)、負(fù)壓下沉等外部荷載作用下可能產(chǎn)生較大內(nèi)力的部位，分別測(cè)試桶式結(jié)構(gòu)在出運(yùn)浮運(yùn)、負(fù)壓下沉各種工況下的桶壁、基礎(chǔ)桶蓋板和連接墻內(nèi)關(guān)鍵部位鋼筋應(yīng)力。

測(cè)試點(diǎn)平面布置如圖4，典型的測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力曲線如圖5。

圖4　測(cè)試點(diǎn)平面布置Fig.4　Layout of the checkpoints

圖5　下沉前后G2測(cè)線各測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力Fig.5　Strains in steels of different checkpoints along Check Line G2 before and after the sinking

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，浮運(yùn)過(guò)程中，桶壁鋼筋應(yīng)力很小，桶體在下沉過(guò)程中鋼筋應(yīng)力變化比較劇烈；下沉完成后，鋼筋應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定；在桶體長(zhǎng)軸方向的兩端的測(cè)點(diǎn)，即G1、G2、G3，在下沉過(guò)程中、下沉完成后，3條測(cè)線上的鋼筋應(yīng)力均比較小，受力較大的是G6測(cè)線，其次為G7、G4、G8、G5測(cè)線，這與數(shù)值模擬結(jié)果較一致。在桶體兩端的桶壁上，變形最小，受力也最?。℅1、G2、G3三條測(cè)線）；在兩側(cè)的平板桶壁上，變形相對(duì)最大，受力也最大（G4、G5、G6三條測(cè)線）；其次為弧形桶壁（G7、G8兩條測(cè)線）。下沉完成后，所有側(cè)壁的鋼筋應(yīng)力均不超過(guò)40 MPa（即單寬彎矩為11.5 kN·m）；除G6測(cè)線（最大應(yīng)力值140 MPa，對(duì)應(yīng)彎矩為40.3 kN·m）外，其他桶壁測(cè)線所測(cè)得的鋼筋應(yīng)力值在下沉中、下沉后也基本上不超過(guò)40 MPa。下沉完以后，隨桶體外部超孔隙水壓力的消散，桶外土體壓縮，桶體有“膨脹”的趨勢(shì)，因此，桶壁鋼筋（環(huán)向鋼筋，桶壁鋼筋計(jì)測(cè)得的均為環(huán)向鋼筋應(yīng)力）應(yīng)力稍微有所增加。

浮運(yùn)過(guò)程中，桶壁各測(cè)點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力很?。辉谙鲁吝^(guò)程中、下沉完成后，隔墻鋼筋應(yīng)力總體要比桶壁鋼筋應(yīng)力大，下沉過(guò)程中，G9-1的最大應(yīng)力值達(dá)到400 MPa（即單寬彎矩為115 kN·m）以上，下沉完成后，鋼筋應(yīng)力均下降到100 MPa以內(nèi)；下沉穩(wěn)定后，桶壁在豎向兩端相當(dāng)于受約束端（上部受蓋板約束、下部受相對(duì)較硬的粉質(zhì)黏土層約束），在大部分桶壁范圍內(nèi)受桶內(nèi)淤泥作用，隔墻最大應(yīng)力均出現(xiàn)在隔墻中部，因此，下沉穩(wěn)定后，隔墻各測(cè)線中部測(cè)點(diǎn)的鋼筋應(yīng)力較大。

受蓋板自重與桶內(nèi)土壓（浮運(yùn)過(guò)程中的氣壓、下沉過(guò)程中的水壓及下沉后的土壓）平衡作用，在下沉過(guò)程中、下沉完成后，蓋板鋼筋受力均較小，下沉過(guò)程中，蓋板鋼筋最大應(yīng)力不超過(guò)15 MPa，下沉完成，蓋板鋼筋應(yīng)力基本不超過(guò)10 MPa。

5　桶式結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，兩者變化趨勢(shì)不一致，存在一定差別，其原因?yàn)?，?shù)值模擬外荷載與實(shí)施時(shí)荷載不同，作用方式也有差別。在整個(gè)下沉過(guò)程中，只有糾偏時(shí)桶體局部應(yīng)力增大，例如G6、G9和G10測(cè)線上應(yīng)力都較大，但是桶外壁G6上的應(yīng)力還在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，隔板上外力超出設(shè)計(jì)范圍。由此可以得出，設(shè)計(jì)確定的糾偏工況不合理，外荷載考慮的偏小，而其他工況較為合理。另外，蓋板上監(jiān)測(cè)到的應(yīng)力也很小，與數(shù)值模擬結(jié)果差別較大，實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果是由內(nèi)外壓力差引起蓋板鋼筋應(yīng)力，而數(shù)值模擬只考慮桶外荷載作用，忽略桶內(nèi)水對(duì)蓋板支撐作用，因此引起模擬應(yīng)力偏大。

綜上分析，桶體外壁的內(nèi)力按數(shù)值模擬結(jié)果可以包絡(luò)實(shí)際下沉產(chǎn)生的內(nèi)力，存在一定安全儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)工況確定合理。桶隔板的內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)，因此該工況應(yīng)該調(diào)整到實(shí)際情況，即糾偏荷載取101.30 kPa（1.0個(gè)大氣壓）。桶蓋板內(nèi)力數(shù)值模擬結(jié)果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際測(cè)試值，所以蓋板所受荷載還需調(diào)整為桶內(nèi)外壓力差，以此為設(shè)計(jì)控制工況，較為合理。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)桶式結(jié)構(gòu)數(shù)值結(jié)果和原位監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，得出只要設(shè)計(jì)工況確定合理，兩種方法得到的內(nèi)力趨勢(shì)一致。設(shè)計(jì)工況與實(shí)際出現(xiàn)偏差，數(shù)值方法得到的內(nèi)力與監(jiān)測(cè)內(nèi)力即會(huì)出現(xiàn)較大偏差，由此看出只要設(shè)計(jì)工況合理，數(shù)值方法可以得到桶式結(jié)構(gòu)內(nèi)力。另外，根據(jù)監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化規(guī)律修正了設(shè)計(jì)工況，特別是糾偏設(shè)計(jì)荷載和桶蓋板所受外荷載。糾偏荷載由原來(lái)的23.30 kPa（0.23個(gè)大氣壓）增加到101.30 kPa（1.0個(gè)大氣壓），桶蓋板荷載由原外荷載修正為桶端阻力與摩阻力之和。

[1]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 bucketbased structure on horizontal loading[J].China Harbour Engineering,2012(5):14-18.

[2]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-science andEngineering,2012(5): 42-47.

[3]李武.新型桶式基礎(chǔ)防波堤與地基動(dòng)力相互作用研究[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2014. LI Wu.Dynamic interactions research between bucket-based breakwater and the ground[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2014.

[4]曹永勇.新型桶式基礎(chǔ)防波堤在負(fù)壓下沉中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力觀測(cè)及分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2014（4）：26-29. CAO Yong-yong.Test and analysis on the structural internal force of the new bucket-based breakwater driven by negative pressure[J]. China Harbour Engineering,2014(4):26-29.

Internal stresses of bucket-based structure

CHEN Hai-feng1,CHEN Yun-cai2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Lianyungang Port 300 000 Tonner Channel Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

The bucket based structure foundation which is adaptable to thick soft soil ground in silt coast has drawn a growing concern in port and waterway engineering and has been successfully applied in practical project.However,the computing method of its internal stresses has not been studied before.In this paper,the numerical simulation method and the in-situ inspecting test are adopted to analyze to internal stresses of the structure for the breakwater project in Lianyungang Port. Different results of the both methods are compared together under reasonable design conditions.According to the variation regularity of the observed internal stresses,the design conditions are calibrated after rectifying the design loads and external loads on the bucket cover,which will help to provide reference for the design process.

bucket-based structure;soft soil ground;breakwater

U652.74

A

2095-7874（2016）03-0031-05

10.7640/zggwjs201603007

2016-01-04

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）

陳海峰（1976—），男，江蘇海安人，高級(jí)工程師，從事港口航道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。E-mail：chenhf@theidi.com