張瑞玉，馮海波

(中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州510290)

近年來，隨著我國游艇產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，游艇碼頭的設(shè)計(jì)與建造技術(shù)也呈現(xiàn)出跨越式的發(fā)展態(tài)勢(shì)。由于游艇船型及靠泊作業(yè)要求特殊，游艇碼頭一般采用浮橋結(jié)構(gòu)，波浪條件是浮橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性因素。針對(duì)浮橋結(jié)構(gòu)與波浪相互作用問題，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度開展了一系列理論計(jì)算分析和模型試驗(yàn)研究，其中對(duì)定位樁結(jié)構(gòu)的研究成果較為豐富[1-3]，但對(duì)波浪力作用下浮橋結(jié)構(gòu)自身的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析則相對(duì)較少。我國游艇碼頭的設(shè)計(jì)建設(shè)起步相對(duì)較晚[4]，相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系尚不成熟、不完善，工程經(jīng)驗(yàn)積累還不夠豐富。目前，浮橋結(jié)構(gòu)荷載分析和構(gòu)件設(shè)計(jì)多參照港口工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際工程采用最多的塑料浮箱及其配件大多依托生產(chǎn)廠家直接采購成品而缺乏依托工程環(huán)境特點(diǎn)的針對(duì)性系統(tǒng)分析。對(duì)于混凝土浮箱，尚無定型化產(chǎn)品，需要根據(jù)工程海區(qū)波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及受力特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。初步分析表明，在波浪作用下，作為沉塊錨拉類型的拉簧錨碇式浮橋結(jié)構(gòu)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生多種運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，其受力相對(duì)更復(fù)雜。本文依托工程實(shí)例，綜合歸納游艇碼頭結(jié)構(gòu)選型的一般思路和原則，利用Ansys有限元軟件，著重分析拉簧錨碇式混凝土浮箱結(jié)構(gòu)在波浪力作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力特點(diǎn)。

1 工程概況

某海島游艇碼頭工程位于珠海市萬山群島某海島海灣內(nèi)，工程位置及平面布置見圖1，擬建21個(gè)游艇泊位，包括16個(gè)12 m游艇泊位和5個(gè)18 m游艇泊位?？傮w上風(fēng)浪掩護(hù)條件較好，主要受來自灣口的NE向波浪影響，設(shè)計(jì)波浪要素見表1。

圖1 工程位置及平面布置

表1 50 a一遇強(qiáng)浪向(NE)設(shè)計(jì)波浪要素

2 結(jié)構(gòu)選型

2.1 浮體結(jié)構(gòu)選型

游艇碼頭一般選址在風(fēng)浪掩護(hù)條件較好的天然水域或通過采取工程措施營造出滿足游艇碼頭建設(shè)和使用條件的水域環(huán)境。對(duì)于采用浮式結(jié)構(gòu)的游艇碼頭，浮體結(jié)構(gòu)大多采用塑料浮箱或混凝土浮箱，浮箱形式一般依據(jù)工程水域的水流和波浪情況確定，浮箱通過上部骨架連接形成浮橋。以塑料浮箱作為浮體的浮橋結(jié)構(gòu)抗橫浪能力，設(shè)計(jì)上一般按0.5 m波高等效波浪荷載控制，最大不超過1.0 m等效波高，混凝土浮箱則一般可按抵抗大于1.0 m波高等效波浪荷載作用考慮。

依托工程海區(qū)波浪條件不滿足《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]對(duì)塑料浮箱式浮橋結(jié)構(gòu)及游艇系泊要求，需要考慮防護(hù)性工程措施。鑒于工程規(guī)模不大、泊位數(shù)量少，配套建設(shè)實(shí)體式防波堤不經(jīng)濟(jì)，本文結(jié)合工程水域環(huán)境及游艇泊位總體布置，考慮迎浪向設(shè)置一道兼作游艇浮橋的浮式防波堤，以改善游艇泊位區(qū)的掩護(hù)條件。同時(shí)，浮式防波堤和泊位區(qū)浮橋的浮體結(jié)構(gòu)均選用混凝土浮箱，上部采用輕型鋼結(jié)構(gòu)骨架，以進(jìn)一步提高浮橋結(jié)構(gòu)整體抗浪能力。

2.2 浮橋錨碇結(jié)構(gòu)選型

浮橋錨碇結(jié)構(gòu)選型主要取決于工程地質(zhì)條件。依托工程所在海島屬花崗巖丘陵山地，勘察揭露地層從上而下分布礫砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖，地層分布較簡單，基巖面覆蓋層薄，2～5 m礫砂層以下即可見硬質(zhì)花崗巖層。根據(jù)過往類似工程經(jīng)驗(yàn)，浮橋錨碇結(jié)構(gòu)可采用定位樁或沉塊錨拉式駐留系統(tǒng)，如采用打入式定位樁，則打樁難度大、施工質(zhì)量難以保證；如采用灌注型嵌巖樁，則工序復(fù)雜、工期長、環(huán)保性差、工程造價(jià)高；如采用常規(guī)沉塊錨鏈系泊系統(tǒng)，浮橋運(yùn)動(dòng)幅度控制性較差，游艇系靠作業(yè)安全及人員上下行走舒適度較差；如采用拉簧錨碇式駐留系統(tǒng)，則對(duì)浮橋運(yùn)動(dòng)幅度控制性相對(duì)較好，實(shí)施難度相對(duì)較低。錨碇方式的綜合比較見表2。

表2 游艇碼頭浮橋錨碇方式

綜合以上分析，拉簧錨碇式混凝土浮橋結(jié)構(gòu)較適合依托工程海區(qū)的風(fēng)浪條件和地質(zhì)條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于波浪作用下拉簧錨碇式混凝土浮橋的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析。

3 波浪荷載

根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)作用于浮箱的波浪力可參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《港口與航道水文規(guī)范》[6]計(jì)算，資料不足時(shí)，水平波浪荷載可取2 kPa。一般而言，掩護(hù)情況良好，波高小于0.5 m時(shí)，水平波浪荷載取2 kPa是符合要求的。但本工程處于外海島嶼，波浪條件較差，即使經(jīng)過浮式防波堤的削減，波高仍然超過了0.5 m，此時(shí)，作用于浮橋上的波浪荷載仍按2 kPa考慮不盡合理，需要對(duì)波浪力進(jìn)行重點(diǎn)分析。

浮橋在水上漂浮時(shí)，可近似于方形船體計(jì)算。參考波浪橫向作用于躉船的情況[7]，混凝土浮橋會(huì)引起波浪的局部反射，相較于作用在直墻式建筑物，浮橋結(jié)構(gòu)正面的合成波高將既大于入射波高，又小于波浪遇直立墻發(fā)生完全反射時(shí)的立波波高，更加符合實(shí)際情況。浮橋前方局部反射系數(shù)Kr公式為：

(1)

浮橋結(jié)構(gòu)吃水范圍內(nèi)局部反射波高Hr公式為：

Hr=KrH

(2)

反射波與入射波合成后波高Hd公式為：

Hd=H+Hr

(3)

在計(jì)算波壓力時(shí)，將合成波看成由假想入射波完全反射形成，即Hd=2H′。水底處波壓強(qiáng)pd公式為：

(4)

水面處波壓強(qiáng)p0公式為：

(5)

注：p1為浮橋側(cè)面頂面處波壓強(qiáng)；p0為靜水面處波壓強(qiáng)；p2為浮橋側(cè)面底部波壓強(qiáng)；pd為水底處波壓強(qiáng)；η′為合成波波峰在靜水面以上的高度；H為原始入射波波高；Hd為原始入射波與反射波的合成波波高；h0為波浪中心線對(duì)靜水面的超高值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，作用于混凝土浮橋結(jié)構(gòu)上的波浪力按結(jié)構(gòu)高度簡化為平均波壓強(qiáng)為11.53 kPa。實(shí)際情況中，由于浮橋在波浪沖擊下會(huì)發(fā)生一定水平位移，而計(jì)算中沒有考慮水平位移對(duì)波浪的緩沖削弱，故計(jì)算結(jié)果是偏保守安全的，可以用此波浪荷載進(jìn)行拉簧錨碇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)波浪條件較差時(shí)(波高超過0.5 m)，計(jì)算所得的波浪荷載超過《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》中水平波浪荷載參考值2 kPa數(shù)倍，直接用規(guī)范中的參考值來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)將存在安全隱患。

4 波浪作用下的拉簧錨碇式混凝土浮橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在對(duì)混凝土浮橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)力進(jìn)行分析，根據(jù)應(yīng)力情況進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。本文基于Ansys軟件建立混凝土浮橋結(jié)構(gòu)模型，利用ANSTOASAS命令輸出ASAS文件，通過AQWA-WAVE模塊生成波浪荷載，施加在結(jié)構(gòu)模型中。

取一個(gè)典型結(jié)構(gòu)段進(jìn)行建模，浮橋結(jié)構(gòu)尺寸見圖3，結(jié)構(gòu)段長10 m、寬3 m、高1.21 m，隔板及側(cè)壁厚度為0.12 m，端板厚度0.15 m，結(jié)構(gòu)段端部四角設(shè)有連接井，用于結(jié)構(gòu)段相連和穿孔設(shè)置拉簧。結(jié)構(gòu)建模和網(wǎng)格劃分見圖4，混凝土浮橋箱體材料為C50混凝土，內(nèi)部填充材料為聚苯乙烯泡沫塊體，密度17 kg/m3，吸水率≤5%。

圖3 混凝土浮橋結(jié)構(gòu)縱斷面(單位：mm)

圖4 混凝土浮橋結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)學(xué)模型的計(jì)算中主要考慮50 a一遇波浪荷載作用的工況，采用表1中極端高水位H1%設(shè)計(jì)波浪進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)受波浪荷載彎矩云圖見圖5?？梢钥闯?，對(duì)于無底結(jié)構(gòu)，拉簧井位于結(jié)構(gòu)段四角，故結(jié)構(gòu)四角附近的內(nèi)力和變形均較小，最大彎矩發(fā)生在結(jié)構(gòu)段中間的側(cè)壁底部，即三邊支承的自由邊，最大彎矩為6.62 kN·m。

5 波浪作用下的拉簧錨碇式混凝土浮橋運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

以拉簧作為錨碇方式的浮橋在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)幅度是較大的[8](與定位樁式游艇碼頭相比)，可能會(huì)同時(shí)發(fā)生橫蕩、縱蕩、橫搖、縱搖及升沉運(yùn)動(dòng)等，而游艇碼頭一般通過活動(dòng)聯(lián)系橋搭接的方式與陸域連通，過大的位移會(huì)影響搭接的安全性和使用舒適性。因此，需要對(duì)極端波浪條件下的浮橋運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。

本工程采用6股/組的超高分子量聚乙烯高彈性拉簧對(duì)浮橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨拉，每股最小破斷力為15 kN，每組拉簧長度5 m，錨拉垂直角度為10°(設(shè)計(jì)低水位)～25°(設(shè)計(jì)高水位)，水平投影線與浮橋結(jié)構(gòu)軸線夾角40°～45°。利用ANSYS-AQWA軟件建立水動(dòng)力分析模型，通過限制結(jié)構(gòu)橫向位移來模擬結(jié)構(gòu)段四角的張緊式錨拉，直線結(jié)構(gòu)段之間鉸接，主支浮橋連接“T”形部位固接，環(huán)境荷載考慮表1中的極端高水位波浪荷載。混凝土浮橋錨碇連接模型見圖6，波浪沖擊過程中浮橋的主要運(yùn)動(dòng)量見圖7，重點(diǎn)關(guān)注穩(wěn)態(tài)階段的運(yùn)動(dòng)情況。

圖6 混凝土浮橋錨碇連接模型

圖7 浮橋運(yùn)動(dòng)量隨時(shí)間變化過程

將各維度各歷時(shí)的運(yùn)動(dòng)幅值進(jìn)行總結(jié)能夠發(fā)現(xiàn)，波浪橫向入射時(shí)主要引起浮橋橫蕩、橫搖、升沉3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。各維度運(yùn)動(dòng)極值見表3。其中以橫蕩運(yùn)動(dòng)最為劇烈，最大橫向位移幅值達(dá)到0.702 m，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)予以充分關(guān)注；其次，升沉運(yùn)動(dòng)幅值也較為明顯，但此項(xiàng)應(yīng)與定位樁等其他錨碇方式的游艇碼頭相似；另外，橫向波浪并未激起浮橋縱蕩、縱搖和首搖3個(gè)自由度的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，這與常規(guī)分析結(jié)果一致，說明模擬結(jié)果具有較高可信度。

表3 極端波浪荷載作用下浮橋結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)量最大值

6 結(jié)論

1)游艇碼頭浮橋結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)不同工程環(huán)境選擇適合的浮箱形式，風(fēng)浪條件較差時(shí)宜選擇混凝土浮箱。

2)對(duì)于地質(zhì)巖面以上覆蓋層很薄甚至無覆蓋層時(shí)，浮橋的定位駐留采用拉簧錨碇系統(tǒng)方式，使用性和經(jīng)濟(jì)性綜合效果相對(duì)較好。

3)波浪超過0.5 m時(shí)則宜采用三維有限元數(shù)值分析手段重點(diǎn)分析浮橋結(jié)構(gòu)的波浪響應(yīng)特性，不宜直接采用《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的水平波浪荷載值2 kPa進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4)作為薄壁型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土浮箱不宜直接套用現(xiàn)行港口工程結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，宜結(jié)合工程建設(shè)環(huán)境特點(diǎn)采用三維有限元數(shù)值法進(jìn)行針對(duì)性的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

5)本文分析結(jié)果表明，本工程的浮橋駐留方式選用拉簧錨碇式，使用舒適度上優(yōu)于常規(guī)沉塊錨鏈?zhǔn)?，建造難度和造價(jià)上優(yōu)于定位樁式。但波浪作用仍可能引起浮橋結(jié)構(gòu)較大幅度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，在平面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行充分考慮，同時(shí)，接岸聯(lián)系橋與浮橋搭接處應(yīng)預(yù)留足夠空間，確保極端情況下不會(huì)因浮橋過大的位移引起聯(lián)系橋滑落。