桶式結構設計方法

李　武，程澤坤

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

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桶式結構設計方法

李武，程澤坤

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

桶式結構是一種新型水工結構，沒有相應的設計方法。針對桶式結構特性，進行系統研究，并提出桶式結構形式和主尺度估算方法、穩定性和承載力的驗算方法、沉降驗算方法、結構強度驗算方法，歸納桶式結構設計技術規定等主要設計方法，為新結構在工程中推廣應用提供技術支撐。

桶式結構；設計方法；穩定性

0　引言

隨著我國水運事業的快速發展，港口建設面向較為復雜的海洋環境，風浪、潮流、軟土地基、建材供應等條件都要求開發研制適合上述條件的新型結構形式，能夠降低工程造價、提高施工速度、保護環境，許多專家工程技術人員在新型水工結構中尋求解決辦法。

桶式結構作為一種新型水下基礎結構被提出并應用于水運工程[1-2]。該新型桶式結構具有以下優勢：

1）桶式結構可在預制場內標準化流水線生產，陸域運輸采用臺車工藝，水上長途運輸采用半潛駁，靠排氣排水下沉安裝，對海洋生態環境影響小。

2）桶式結構工程造價低，安裝速度快，原材料用量少，符合國家“十二五”港口建設發展規劃節約資源的要求。

3）對于在軟土地基上的防波堤、駁岸、圍堤、人工島、碼頭結構等工程領域，尤其是深水區域有廣闊的應用前景。

4）該結構還可應用在外海筑島的護岸、近海風電、近海石油平臺等工程的軟土地基、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。

在技術經濟方面具有優勢，但尚有許多技術難題需要進一步解決。因此，本文研究桶式結構的設計方法，為工程應用提供技術支撐。

1　結構形式和主尺度估算方法

1.1結構形式

桶式結構可解決軟土地基承載力低的問題，其結構形式的選擇與結構空間尺度、地質條件及施工條件等密切相關。桶式結構是采用空間殼體結構將軟土封閉在內，與結構共同形成傳力介質，來提高地基承載力。但是空間殼體結構受力性能較好的一般采用曲面和平面組合圍成異形空間。考慮施工方便結構外形宜采用圓柱面和平面組成，但是平面尺度不宜過大，一般取6～8 m。桶式結構還需浮運，需要通過劃分隔倉增加浮運穩定性。根據統計經驗，每個方向最少要布置2個隔倉，一般每個方向布置3～4個隔倉較為經濟。

1.1.1單桶多隔倉形式

單桶多隔倉形式見圖1，包括基礎桶體1和上部筒體7；基礎桶體1內設有多塊隔板2和桶壁4組成；基礎桶體1頂部設有第一蓋板6，蓋板6上設通氣孔5，同時第一蓋板6上還設有杯口3，上部筒體7插入杯口3中；上部筒體7頂部設有擋浪墻8和第二蓋板9。

圖1　單桶多隔倉形式Fig.1　Single bucket with multiple cabins

1.1.2扶壁式基礎岸壁結構形式

扶壁式基礎岸壁結構見圖2，包括基礎桶體1，基礎桶體1內設多塊隔板2和桶壁5；基礎桶體1頂部還設有蓋板4，蓋板4上開有多個通氣孔3；基礎桶體1之上設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　扶壁式基礎岸壁結構Fig.2　Counterfort foundation

1.2主尺度設計原則

桶式結構的主尺度設計方法主要由使用功能、穩定和施工條件控制。對桶式結構分為上筒和下桶兩部分，上筒結構斷面尺度根據使用功能確定，按直立式結構的規范進行設計；下桶結構斷面尺度不僅要考慮穩定性，還要考慮施工條件。因此下桶結構斷面尺度要滿足以下條件：

1）下桶高度應滿足承載力和穩定要求，對于后方回填材料的結構，其進入持力層不小于1.0 m；

2）下桶的長度滿足結構穩定性要求；

3）下桶的寬度滿足施工條件要求。

2　結構穩定性和承載力的驗算方法

2.1結構穩定性計算前提

參考重力式計算法、摩擦阻力方法和無錨板樁方法，提出條件極限平衡計算方法。該方法的思路是假設結構和內部土體發生剛體小轉動，合力中心位置不因轉動而發生改變，桶內土體參與抗傾計算的重量根據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（結構各個方向受力平衡）；極限彎矩平衡是根據地基承載力的極限分布形式計算，計算簡圖見圖3。

圖3　條件極限平衡計算方法計算簡圖Fig.3　Calculating sketch of the conditional limit equilibrium method

計算步驟為：

1）轉動趨勢判斷，對結構取隔離體，把結構和結構內土體看成剛體放在剛性地面上，剛性面以上的外荷載使結構產生轉動趨勢。把這些力平移到結構底面中心上，求出合偏心力距，確定結構偏轉方向。

2）計算水平和豎向的合力，求出地基反力。

3）根據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，并計算與豎向合力形成的極限力矩。

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

2.2抗滑穩定計算

根據圖3水平向力平衡示意圖，得到斷面的抗滑穩定計算公式為：

式中：γo為桶式結構重要性系數，γo=1.0；γd為桶式結構等級系數，γd=1.1；γG為桶式結構及桶內土體自重與桶底面土體的摩擦阻力分項系數，取γG=1.0；Gst為桶式和上部結構自重標準值，計算水位以下按浮重度計算，kN；Gs1為桶式結構底面以上土體自重標準值，計算水位以下按浮重度計算，kN；f為桶式結構及桶內土體自重與桶底面土體的摩擦系數；γEp為被動土壓力分項系數；γEa為主動土壓力分項系數；Ea為主動土壓力標準值，kN；Ep為被動土壓力標準值，kN；Ks為被動土壓力折減系數，根據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準值，kN；c為桶底面土體的黏聚力，kN/m2；B為桶底有效面積，m2；γp為波浪水平力分項系數，γp=1.3（極端高水位取1.2）；γc為黏聚力分項系數，γc=1.0。

2.3承載力計算

根據圖3平衡示意圖，桶式結構的基底應力按自線分布考慮，基底應力的值按重力式碼頭的基底應力計算方法進行計算，具體參照JTS 167-2—2009《重力式碼頭設計與施工規范》。

桶式結構底面的地基豎向極限承載力，可用JTS 147-1—2010《港口工程地基規范》中關于豎向極限承載力計算方法進行計算，并確定地基的允許承載力。

2.4抗傾穩定計算

根據圖3平衡示意圖，對桶底轉動點的力矩平衡，可求出抗傾覆穩定計算公式：

式中：γo為結構重要性系數，γo=1.0；γp為波浪水平力分項系數，γp=1.3（極端高水位取1.2）；γd為結構系數，γd=1.35；γG為結構和土體自重產生的摩擦阻力分項系數，取γG=1.0；γEp為被動土壓力分項系數，取γEp=1.0；γEa為主動土壓力分項系數，取γEa=1.35；MGst為桶式和上部結構自重標準值對桶式底轉動點的穩定力矩，kN·m；MGs1為桶式內的土體（考慮部分土體參與抗傾，其余部分靠摩擦力提供抗傾）和上部結構內的填土自重標準值對桶式底轉動點的穩定力矩，kN·m；MEa為桶體前側的主動土壓力標準值對桶式底轉動點的穩定力矩，kN·m；MEp為桶體前側的被動土壓力標準值對桶式底轉動點的穩定力矩，kN·m；Ks為桶體前側的被動土壓力折減系數，在0.3～1.0之間根據所允許的桶式水平位移情況選取。

采用該方法計算桶式結構的穩定性，具有如下特點，地基反力產生的極限抵抗距受結構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，不受轉動點位置控制，只與外荷載分布形式相關，符合結構的實際受力狀態。而且計算參數少，利于使用者掌握。

3　桶式結構變形沉降驗算方法

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

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

桶式結構和筒箱基礎結構都沒有對地基進行處理，桶內淤泥由于排水通道不暢，沉降緩慢，使用期的沉降量根據使用時間來計算。

4　桶式結構強度驗算

4.1設計工況

根據桶式結構的施工工藝和使用期間外荷載情況，確定設計工況如下：

1）桶式結構預制及出運期間，設計工況：桶式結構自重。

2）氣浮期間，設計工況：桶式結構+桶內氣浮壓力。

3）安裝期間，桶式結構安裝主要通過排氣排水下沉，通過真空泵抽取下桶內封閉的氣體和水體，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，直至達到設計標高（圖4）。

圖4　下沉施工期間結構圖示Fig.4　Sketch of the settling in construction period

下沉安裝過程中可能出現桶式結構偏位，使桶體發生傾斜，因此需要對結構進行調整糾偏。調整過程是通過控制某個或多個倉格內氣體或水體的排放量，改變倉格內的壓強，即倉格原壓強為P，調整壓強為△P，結構受到總壓強為P+△P。

4）使用期間，設計工況1：自重+波浪荷載；設計工況2：自重+波浪荷載+桶后回填土荷載。

4.2桶式結構內力計算方法

桶式結構為空間殼體結構，采用理論計算很難求得精確解析解，因此需要借助有限元方法來模擬計算結構受外荷載作用下的內力。一種方式是直接將結構放到實際受力環境中模擬，另一種是將波浪、土體與結構相互作用簡化為外力作用于結構上。下面介紹兩種數值模型建模方法及對比分析。

1）實際受力環境模型

土體-結構相互作用模型需要建立土體和結構的實體模型，并通過接觸單元模擬結構和土體的相互作用行為。本文通過國際著名的有限元軟件ABAQUS 6.10求解這一問題。在建模過程中，土體采用彈塑性本構模型，混凝土采用彈性本構模型，然后建立兩者之間的接觸行為。

2）簡化計算模型

采用實體單元（Solid Element）或殼體單元（Shell Element）進行離散。由于本結構厚度小，結構尺寸大，采用實體單元計算時，沿厚度方向應有足夠的單元數量，避免因為尺寸效應引起結果精確度不高，由于模型不考慮土體，計算量大大減小，可考慮采用高階單元，使得結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行計算，殼體單元厚度方向應該設置足夠的積分點數目，提高計算精度。

4.3結構配筋方法

通過分析混凝土領域諸多規范對配筋方法的規定，探討內力法和應力法配筋的一般特點，結合桶式結構的基本特征，提出了本工程中桶式結構的構件基于有限元分析的配筋設計方法；另外，桶式結構的多個構件屬于雙向板，其裂縫寬度計算方法尚不完善，國內規范沒有相關具體規定。

我國現行的混凝土規范（國家標準或者行業標準）關于裂縫寬度計算部分，主要適用于梁、單向板等單向受彎構件的裂縫寬度計算，對于其是否適用于雙向板尚缺乏理論分析和試驗驗證。在國內，由于混凝土雙向板受力特性復雜的特點，其裂縫寬度計算方法的研究尚處于初步階段。因此，在本課題計算中，仍然以國內規范規定計算裂縫寬度。

5　設計技術規定

新型桶式結構在設計時應遵循如下技術規定：

1）桶式結構的下桶具有密閉性，施工下沉完成后，能夠繼續保持密閉性，水不能通過蓋板和桶壁進入桶內。

2）桶式結構的上筒，在防波堤設計時不進行回填，在岸壁結構設計時筒內可回填，也可不進行回填。

3）在方案設計、可研設計階段，桶體穩定性可以按簡化公式估算，初步設計和施工圖設計階段，還需采用數值分析進行校驗，當兩者結論差異較大時，采用物模進行再次校驗。

4）有利于結構穩定的主被動土壓力，不能作為結構穩定的主導力，在穩定性計算時，被動土壓力按計算值打0.7折使用。

5）桶式結構宜按自浮式設計，盡力避免使用輔助設備助浮。

6）桶式結構一般按受壓結構設計，當有上浮要求時，應按受拉結構設計。

7）設計荷載組合分為施工期和使用期，施工期荷載分項系數，可根據荷載性質取低值，使用期荷載分項系數與重力結構相同。

8）桶式結構的沉降完成時間較長，一般可以覆蓋結構使用壽命期，應充分考慮沉降和后期處理措施。

6　工程設計實例

6.1設計條件

連云港徐圩港區直立式結構東防波堤工程[3-4]，根據自然條件和施工條件，采用桶式防波堤結構，計算條件見表1、表2。

表1　防波堤沿線外側50 a一遇設計波要素（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　土層物理力學性指標Table 2　Physical mechanics indicators of the soil stratum

基礎桶體呈橢圓形，長軸30 m，短軸20 m，桶內通過隔板劃分9個隔倉，外桶壁厚0.4 m（底部4 m范圍為0.3 m），中間隔倉板厚0.3 m，隔倉頂部沿短軸方向設4道2 m高肋梁，梁寬0.4 m，桶式基礎底端需進入淤泥層下黏土層1.5～2 m，根據地質資料確定，下桶高度為9.5～11 m。2個上部筒體坐落在基礎桶頂板上，頂板厚0.45 m，采用預制安裝及現澆疊合板結構，上筒外側底部設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，部分上筒及基礎桶一起陸上預制，根據施工水位及施工船機設備的能力，確定上筒預制鋸齒狀拼縫中心頂標高3.5 m，上筒其余筒體待下桶沉放就位后水上現澆施工，上筒沿堤軸線方向外側設擋浪板，擋浪板厚度0.4～0.6 m。上筒頂海側設弧形擋浪墻，擋浪墻由海側部分筒體升高而成，擋浪墻頂設計標高10.5 m，后期預留沉降量0.3 m，施工期控制擋浪墻頂標高10.8 m（圖5）。

圖5　桶式基礎結構圖Fig.5　Sketch of the bucket-based structure

6.2計算工況

參考防波堤規范，并結合桶式結構受力特點，考慮3種設計狀況：

1）持久狀況：按防波堤規范要求進行組合。

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：在施工期應按承載能力極限狀態的短暫組合進行設計，必要時按正常使用極限狀態的短暫組合進行設計。

作用效應組合：

①自重+負壓荷載

②自重+糾偏負壓荷載

③自重+浮運荷載自重+施工荷載

3）地震狀況：在使用期受到地震作用時，按JTS 146—2012《水運工程抗震設計規范》有關規定執行，僅按承載能力極限狀態的地震組合進行設計。

作用效應組合：自重+地震慣性力

以上組合均應考慮不同設計水位，按最不利情況計算。

6.3計算結果

主要計算結果見表3～表9。

表3　結構抗滑穩定性計算表Table 3　Calculation table of the stability against sliding

表4　結構傾覆穩定性計算表Table 4　Calculation table of the stability against overturning

表5　荷載作用下地基應力Table 5　Stress of the foundation under loads

表6　直立式結構東防波堤沉降計算表Table 6　Calculation table of the settlement of the east up-right breakwater

表7　內力計算結果Table 7　Internal forces calculation results

表8　浮游計算條件和結果表Table 8　Calculation conditions and results during floating

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

根據本文設計方法，設計出桶式防波堤結構，主要計算結果都符合工程要求。

6.4工程實體

連云港徐圩港區直立式結構東防波堤工程實施基本完成。施工過程中主要設計工況沒有出現問題，由此說明按本文設計方法進行工程設計，能夠滿足工程需要，本文提出的設計方法可以作為該結構推廣使用的理論技術依據。

7　結語

本文研究了工程設計中的估算方法和驗算方法，給出了具體的計算公式和設計規定。根據設計的深度，不同設計階段采用不同的估算方法和驗算方法。在方案設計和可研設計階段，一般采用理論計算方法。在初步設計和施工圖階段，除了進行理論計算外，還應采用數值方法進行驗算。對于特殊地質或波浪條件，除理論計算和數值分析外，還要進行物模試驗。

[1]李武，吳青松，陳甦，等.桶式基礎結構穩定性試驗研究[J].水利水運工程學報，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結構穩定性研究[J].中國港灣建設，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]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.連云港港徐圩港區防波堤工程工程可行性研究報告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[4]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.連云港港徐圩港區直立式結構東防波堤工程初步設計[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

江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013663）；江蘇省交通運輸科技項目（2013Y20）

李武（1978—），男，黑龍江人，博士后，主任工程師，高級工程師，從事港口工程設計、管理、咨詢工作。E-mail：liw@theidi.com