桶式結構構造處理技術

李　武，杭建忠

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

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桶式結構構造處理技術

李武，杭建忠

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

桶式結構為空間薄壁結構，結構計算時，薄壁相交位置受力復雜，很難計算準確。文中針對桶式結構，研究其構件和整體結構的薄弱部位，給出相應的加強構造措施，解決桶式結構中計算難題，進而為工程設計提供參考借鑒。

桶式結構；結構構造；薄壁結構

0　引言

多隔倉混凝土桶式結構由海洋平臺結構基礎演變而來，其外形上多為底端開口、頂端封閉的倒扣大直徑單桶單倉結構。安裝時，首先依靠桶體自重使其部分地插入土中以形成密閉空間，然后抽出桶內的空氣，利用內外壓力差，將桶逐步壓入至海床內預定深度完成安裝，在海洋石油平臺工程中已推廣使用。在水運行業(yè)，也引進該項技術，結合水運行業(yè)、海域地基的特點和依托工程，研發(fā)了桶式結構[1-4]。

該結構斷面如圖1，外形近似為橢圓，下桶有9個格倉，根據(jù)結構排氣排水下沉情況，調整各倉的壓力，對結構進行調平。放置在軟土地基上的結構依賴于其自身的穩(wěn)定性保持工作狀態(tài)，其穩(wěn)定性的計算方法決定著桶式結構的入土深度和斷面尺寸。

桶式結構抗滑、抗傾穩(wěn)定性計算方法與目前采用的單桶單倉結構相比有其自身的特點，因此桶式結構不能直接應用單桶基礎結構的設計方法，必須對桶式結構建立適合其功能特點和結構特性的技術體系，為此本文針對桶式結構的下桶蓋板、桶壁、抽氣抽水孔、上筒下桶結合部、擋浪墻、上筒泄水孔、上筒擋浪板、桶間接頭及沖刷防護等構造技術，進行深入研究，分析其結構的薄弱位置，提出有效的加強措施，為桶式結構設計提供參考。

1　結構組成

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。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；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，下桶高度為8～ 11.5 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(xiàn)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，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。

圖1　桶式結構圖Fig.1　Sketch of the bucket-based structure

桶式結構的兩側采用塊石護底。護底塊石重量和范圍根據(jù)波流條件確定，海側護底塊石為400～600 kg的塊石，塊石下方拋設600 mm厚二片石，以防止大塊石沉入淤泥中，有效護底寬度為25 m，港側護底塊石為200～400 kg的塊石，塊石下方拋設600 mm厚二片石，有效護底寬度為20 m。結構詳見圖1。

2　桶式結構構造措施

2.1蓋板構造措施

下桶頂板內力主要受下沉負壓和回填土壓力控制，根據(jù)內力要求，板厚要加厚，配筋量也較大，為控制板厚尺寸，減少板的配筋量，一般都采用設置肋梁方式來解決板厚問題，優(yōu)化板結構的受力，從而控制了頂板厚度并降低了配筋量，達到控制造價的目的。

2.2上筒底部與下桶頂板結合部構造措施

桶式結構的上筒與下桶的連接有兩種形式，一種是柔性連接，即上筒與下桶分離，下桶頂板頂部設一圈梁，上筒坐落在圈梁內；另外一種是采用剛性連接，即上筒與下桶連為一個整體。上筒受到波浪力作用下，使下桶頂板局部應力較大，蓋板厚度不能適應，因此采用設置趾板來分散蓋板上局部應力集中問題。

2.3下桶頂板采用預制現(xiàn)澆疊合板結構

桶式結構作為新型結構，主要利用下桶插入淤泥質土并進入淤泥層下層黏土層一定深度，達到結構在使用荷載作用下穩(wěn)定的使用要求，根據(jù)結構的功能要求，下桶底部為類似樁基的開口形式，下沉施工時首先是靠自重下沉，當達到一定的深度時必須通過抽出桶內泥漿和空氣，使其產(chǎn)生負壓下沉。另一方面，如果下沉時基礎發(fā)生偏斜超出允許范圍，必須通過抽出不同隔倉的空氣產(chǎn)生負壓進行糾偏。這些工況下對于下桶頂板的氣密性要求很高，由于單個構件較大，陸上預制施工時下桶必須開口朝下，整個下桶為封閉結構，如果下桶頂板采用整體現(xiàn)澆，能夠很好滿足氣密性要求，但是頂板下部模板無法取出，施工成本很高。

為了解決這個問題，下桶頂板設計時采用預制現(xiàn)澆疊合板，同時為了保證整個頂板的氣密性，將預制頂板擱置的下桶壁、隔板、肋梁等設置放大牛腿，增大現(xiàn)澆結合部。通過將下桶頂板設計成預制現(xiàn)澆疊合板結構，為桶式結構的實際運用解決了施工難題。

2.4下桶底部設置變截面

根據(jù)計算，下桶外壁底部控制工況為施工期陸域出運工況，此時內力不大，但是考慮到下沉施工過程中下沉阻力較大，下沉時負壓增大對整個結構受力不利，同時增大了下沉施工的難度，為減少下沉阻力，設計采取將下桶底部桶壁厚度減小。

通過采取變截面措施，減少了下沉端部阻力，同時減少了工程量，降低工程造價。

2.5擋浪板的設置

桶式結構下沉施工后，相鄰基礎的上筒間存在一定距離的空隙，必須采取措施將此空隙阻斷，否則整個結構的擋浪、減淤或作為駁岸的功能將大大削弱。桶式結構在施工安裝下沉時會產(chǎn)生一定的偏移或傾斜誤差，擋浪板的設置必須滿足施工要求。

本結構采用搭接、錯開布置原則，在相鄰上筒側設置擋浪板，設置時錯開布置。為優(yōu)化結構受力，將擋浪板設為端部薄、根部厚的梯形結構。同一基礎的上筒間采用直墻板連接。

2.6擋浪墻的設置

桶式結構作為堤身或直立式駁岸結構，頂部均需設置擋浪墻，波浪力作為結構所受的主要外力，擋浪墻的設置最好能起到減小波浪力作用的效果。

桶式結構的上筒作為圓形結構能起到很好的消浪作用，設計利用迎浪側的上筒壁局部升高作為擋浪墻結構，很好解決了在圓形結構設置擋浪墻問題同時起到減小波浪力作用的效果。

2.7上筒設置泄水孔

桶式結構使用過程中上筒內會有積水，為使筒內積水保持在一定的高度，在上筒適當?shù)奈恢迷O置泄水孔。

2.8下桶頂板設置抽氣孔

桶式結構施工過程中需要抽氣負壓下沉及糾偏，在施工完成后，相關孔洞必須封閉，確保結構的穩(wěn)定，因此，預制施工時，必須在下桶頂板預留抽氣（水、泥漿）孔，每個隔倉設置2個，該抽氣孔在施工完成后可以而且必須進行封閉。

2.9桶間接頭構造

桶間結構構造可采用以下方式。

1）方案一：工字形鋼板+模袋混凝土

如圖2所示，采用工字形鋼板+模袋混凝土填補接縫。靠海側浪濺區(qū)鋼板厚度30 mm，水下鋼板厚度20 mm，陸側鋼板厚度20 mm，腹板厚度10 mm，海側和陸側鋼板外表面采用涂層保護，特別是海側每隔15 a涂刷一側，工字形尺度為1 000 mm×1 000 mm，放在擋浪墻中心，距每側300 mm，與擋浪墻重疊250 mm。工字板中間空隙采用模袋混凝土現(xiàn)場澆筑，結構下端回填2 m厚塊石進行防護回填土從下端流失。每組使用模袋混凝土方量為9.72 m3，鋼板重量為5.6 t，原設計方案混凝土方量減少了8.02 m3。

圖2　工字形鋼板+模袋混凝土Fig.2　I-shaped steel plate and the bagged concrete

2）方案二：工字形混凝土板+模袋混凝土

如圖3所示，用工字形混凝土板+模袋混凝土填補接縫。工字形尺度2 000 mm×1 800 mm，翼緣寬2 000 mm，厚300 mm，腹板寬1 800 mm，厚400 mm，放在空隙中心，距每側桶邊300 mm，與擋浪墻重疊500 mm。工字板中間空隙采用模袋混凝土現(xiàn)場澆筑，結構下端回填2 m厚塊石進行防護回填土從下端流失。每組使用模袋混凝土方量為9.28 m3，工字形混凝土方量為21.12 m3，原設計方案混凝土方量減少了11.6 m3。

圖3　工字形混凝土板+模袋混凝土平面圖Fig.3　Plan of the I-shaped concrete plate and the bagged concrete

3）方案三：現(xiàn)澆接縫方案

如圖4所示，采用水上現(xiàn)澆混凝土接縫。在預制場預制是預留鋼筋，桶體安裝完成后，將接縫澆筑完成，澆筑接縫是在兩擋浪墻中間設置橡膠墊將兩個墻體分開。結構下端回填2 m厚塊石進行防護回填土從下端流失。原設計方案混凝土方量減少了7.8 m3（由于施工安裝錯位，現(xiàn)澆部分方量可能增大，但是不會超過7.8 m3）。

圖4　現(xiàn)澆接縫方案平面圖Fig.4　Scheme plan of the jointing by cast-in-situ concrete

4）方案四：擋浪墻削角方案

本次修改僅是為了方便施工，考慮水位較高時安裝，擋浪墻容易發(fā)生碰撞，因此將距蓋板上1 500 mm范圍內的擋浪墻削掉一個角，詳見圖5、圖6。

圖5　擋浪墻削角方案立面圖Fig.5　Scheme elevation of chamfering the wave wall

圖6　擋浪墻削角方案平面圖Fig.6　Scheme plan of chamfering the wave wall

5）方案五：擋浪墻擴大錯位距離方案

本方案與設計方相比，既是擋浪墻搭接長度由原來200 mm變?yōu)?00 mm，間距由原來200 mm變?yōu)?00 mm。詳見圖7。

圖7　擋浪墻擴大錯位距離方案平面圖Fig.7　Scheme plan of enlarging the distance between wave walls

2.10桶式結構沖刷防護

桶式結構的沖刷與直立式結構的沖刷較為相似，都是由水流和波浪組合作用引起。先由波浪作用掀砂，再由水流把泥沙帶走形成沖刷坑。而且桶式結構是通過預制安裝形成水工結構，安裝縫隙很容易過流，而且流速被加大，容易形成串式?jīng)_刷坑。為了防止結構前形成大的沖刷坑影響結構安全。采取必要的防護措施是保證結構安全的必要手段。根據(jù)波浪與結構的相互作用規(guī)律，沖刷位置一般位于結構附近1/4波長范圍內，因此防護范圍一般大于波浪的1/4波長，桶體兩側都需要防護。防護材料一般采用塊石或其它水工織物。

3　結語

桶式結構是一種新型空間薄壁結構，其主要構造處理措施如下：

1）根據(jù)其受力特點，結構薄弱部位主要是下桶頂蓋板，構造處理措施采用局部加厚或以梁代板做法；

2）為滿足施工要求，蓋板上還開設排氣排水孔，在孔周圍局部鋼筋加強；同時下桶壁板進行變截面設計，以減小下沉阻力；

3）為滿足功能要求和施工間距要求，上筒的軸向位置上設置擋浪翼板，減小泥面以上相鄰筒間距離，為堵封施工提供施工條件；

4）為防止沖刷，設置塊石護底，保護下桶體不被沖出泥面，進而保護桶式結構的整體穩(wěn)定性。

[1]李武，吳青松，陳甦，等.桶式基礎結構穩(wěn)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-scienceandEngineering,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(wěn)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.

[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(qū)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(qū)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.

Configuration processing technology of bucket-based structure

LI Wu,HANG Jian-zhong
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The bucket-based structure is a special kind of thin-walled configuration,its accurate numerical computing results is very hard to be reached,because the stress within the cross section of walls is rather complex.Aiming at the bucket-based structure,we researched the weak parts of the component and the whole structure,put forward the corresponding measures to strengthen the structure,and solved computational problems of bucket-based structure.The study will provide a good reference for engineering design.

bucket-based structure;structure configuration;thin-walled configuration

U656.2；U655.54

A

2095-7874（2016）03-0059-05

10.7640/zggwjs201603013

2016-01-12

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