桶式結構內力研究

陳海峰，陳允才

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032；2.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇連云港222042）

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桶式結構內力研究

陳海峰1，陳允才2

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032；2.連云港港30萬噸級航道建設指揮部，江蘇連云港222042）

桶式結構在深厚軟泥土沿海工程中逐漸引起關注并應用于工程實踐，但桶式結構的內力計算方法尚未得到解決。文章結合連云港防波堤工程，采用數值模擬方法和原位監測方法，分析結構內力；在合理的設計工況條件下，對比分析數值模擬結果與原位監測結果；根據監測應力變化規律，針對糾偏設計荷載和桶蓋板所受外荷載，修正設計工況，為桶式結構設計提供參考。

桶式結構；軟土地基；防波堤

0　引言

桶式結構是一種適用于近海軟土地基的新型結構。該種結構由安裝在水下土中的基礎部分和其上的墻體部分組成，上下兩部分是聯體的?；A部分為一倒扣的桶體，在桶體中設有隔板。上部墻體可以為直立圓筒或其它結構。當桶式結構作為防波堤結構與地基土體相結合時，具有以下特點：首先，桶式結構是一種全新的較大尺度的輕型剛性結構，其自重較輕，因此，給地基施加的豎向荷載較小；第二，桶式結構本身是一種薄壁結構，加上內隔板使得它與地基土接觸的面積很大，能將桶結構所承受的豎向荷載和側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，能充分發揮下桶內外壁兩面與地基土的摩擦作用；在承受側向荷載時，能充分發揮下桶內外側壁所受到的側向限制作用。另外，下桶在下沉就位后，所有通氣孔被密封，桶內土體與桶體結構側壁發生相對位移時將受到真空吸力作用，這樣，下桶基礎與桶內地基土就形成為一個整體，共同承受波浪荷載、冰荷載等橫向荷載作用而保持穩定[1-4]。

然而，桶式結構受力非常復雜，與施工期和使用期荷載都密切相關，目前還未有該結構的有效的計算方法。因此，本文依托連云港港徐圩港區防波堤工程，利用數值模擬和原位試驗等手段，研究桶式結構的內力控制條件，優化結構斷面形式，為新型桶式結構設計提供參考。

1　結構形式

桶式結構斷面由鋼筋混凝土橢圓腔體結構件和護底塊石組成。標準桶式結構每一組結構構件由1個基礎桶體和2個上部筒體組成?；A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，0.4 m寬肋梁，桶式結構底端需要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為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為10.8 m。詳見圖1。

圖1　桶式結構圖Fig.1　Configuration of the bucket

2　計算工況

根據桶式結構施工特點和使用要求，結合施工期現場原位試驗測試結果，擬定施工期的計算工況為：

1）陸域運輸荷載工況1：自重荷載。

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

3）下沉荷載工況

工況3：自重+負壓荷載（自重入土深度4.5 m）；

工況4：自重+負壓荷載（入土深度6 m）；

工況5：自重+負壓荷載+壓載（入土深度8 m）；

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

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

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

3　數值模擬結果

不同工況結構各構件內力結果（承載能力極限狀態，單寬板帶值）如圖2。圖中SM1為結構水平向單寬板帶彎矩（對于頂板，矢量垂直于短軸方向），N·m；SM2為結構豎直向單寬板帶彎矩（對于頂板，為長軸方向），N·m。

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

圖2　工況1計算結果Fig.2　Calculation results of working Condition 1

桶式結構在氣浮荷載作用下，桶體響應的最大彎矩小于自重荷載產生的彎矩，彎矩分布比較均勻。

由圖3所示，桶式結構在下沉荷載作用下，桶體響應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計算結果Fig.3　Calculation results of working condition 5

桶式結構在自重荷載和糾偏荷載作用下，桶體響應的最大彎矩分布在隔板上，其大小與相對下沉荷載產生的響應彎矩小很多，對結構設計不起控制作用。

4　原位試驗結果

根據桶式結構數值模擬的研究結果，確定結構在浮運、負壓下沉等外部荷載作用下可能產生較大內力的部位，分別測試桶式結構在出運浮運、負壓下沉各種工況下的桶壁、基礎桶蓋板和連接墻內關鍵部位鋼筋應力。

測試點平面布置如圖4，典型的測點鋼筋應力曲線如圖5。

圖4　測試點平面布置Fig.4　Layout of the checkpoints

圖5　下沉前后G2測線各測點鋼筋應力Fig.5　Strains in steels of different checkpoints along Check Line G2 before and after the sinking

監測結果表明，浮運過程中，桶壁鋼筋應力很小，桶體在下沉過程中鋼筋應力變化比較劇烈；下沉完成后，鋼筋應力逐漸趨于穩定；在桶體長軸方向的兩端的測點，即G1、G2、G3，在下沉過程中、下沉完成后，3條測線上的鋼筋應力均比較小，受力較大的是G6測線，其次為G7、G4、G8、G5測線，這與數值模擬結果較一致。在桶體兩端的桶壁上，變形最小，受力也最?。℅1、G2、G3三條測線）；在兩側的平板桶壁上，變形相對最大，受力也最大（G4、G5、G6三條測線）；其次為弧形桶壁（G7、G8兩條測線）。下沉完成后，所有側壁的鋼筋應力均不超過40 MPa（即單寬彎矩為11.5 kN·m）；除G6測線（最大應力值140 MPa，對應彎矩為40.3 kN·m）外，其他桶壁測線所測得的鋼筋應力值在下沉中、下沉后也基本上不超過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，因此，桶壁鋼筋（環向鋼筋，桶壁鋼筋計測得的均為環向鋼筋應力）應力稍微有所增加。

浮運過程中，桶壁各測點的鋼筋應力很小；在下沉過程中、下沉完成后，隔墻鋼筋應力總體要比桶壁鋼筋應力大，下沉過程中，G9-1的最大應力值達到400 MPa（即單寬彎矩為115 kN·m）以上，下沉完成后，鋼筋應力均下降到100 MPa以內；下沉穩定后，桶壁在豎向兩端相當于受約束端（上部受蓋板約束、下部受相對較硬的粉質黏土層約束），在大部分桶壁范圍內受桶內淤泥作用，隔墻最大應力均出現在隔墻中部，因此，下沉穩定后，隔墻各測線中部測點的鋼筋應力較大。

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

5　桶式結構內力分析

根據數值模擬結果和現場原位監測數據，兩者變化趨勢不一致，存在一定差別，其原因為，數值模擬外荷載與實施時荷載不同，作用方式也有差別。在整個下沉過程中，只有糾偏時桶體局部應力增大，例如G6、G9和G10測線上應力都較大，但是桶外壁G6上的應力還在設計范圍內，隔板上外力超出設計范圍。由此可以得出，設計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，蓋板上監測到的應力也很小，與數值模擬結果差別較大，實際監測結果是由內外壓力差引起蓋板鋼筋應力，而數值模擬只考慮桶外荷載作用，忽略桶內水對蓋板支撐作用，因此引起模擬應力偏大。

綜上分析，桶體外壁的內力按數值模擬結果可以包絡實際下沉產生的內力，存在一定安全儲備，設計工況確定合理。桶隔板的內力遠遠超過設計，因此該工況應該調整到實際情況，即糾偏荷載取101.30 kPa（1.0個大氣壓）。桶蓋板內力數值模擬結果也遠遠小于實際測試值，所以蓋板所受荷載還需調整為桶內外壓力差，以此為設計控制工況，較為合理。

6　結語

通過對桶式結構數值結果和原位監測結果的分析，得出只要設計工況確定合理，兩種方法得到的內力趨勢一致。設計工況與實際出現偏差，數值方法得到的內力與監測內力即會出現較大偏差，由此看出只要設計工況合理，數值方法可以得到桶式結構內力。另外，根據監測應力變化規律修正了設計工況，特別是糾偏設計荷載和桶蓋板所受外荷載。糾偏荷載由原來的23.30 kPa（0.23個大氣壓）增加到101.30 kPa（1.0個大氣壓），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 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 the bucketbasedstructure[J].Hydro-science andEngineering,2012(5): 42-47.

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

[4]曹永勇.新型桶式基礎防波堤在負壓下沉中的結構內力觀測及分析[J].中國港灣建設，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

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

陳海峰（1976—），男，江蘇海安人，高級工程師，從事港口航道工程結構設計研究工作。E-mail：chenhf@theidi.com