關于水工工程靠船樁簇設計中結構內力計算的方法

摘 要：水工工程中靠船樁簇經受許多外力作用，其中包括各種橋面荷載和動荷載，如何巧妙地使用正確的方法和守恒原理將樁簇的內力進行計算變得尤為重要，本文通過實際案例現場勘查測得數據資料，基于位移協調、力的平衡和能量守恒原理，通過在水平樁NL法計算中引入樁側土抗力群樁折減系數，采用Lagrange插值多項式擬合護舷廠家的反力、吸能與變形的關系曲線，對柔性靠船樁簇中鋼樁和護舷間水平力、能量分配進行計算分析，對于水工工程相關專業的研究人員和實際工作人員均具有很強的參考價值。

關鍵詞：水工工程；靠船樁簇；技術研究

中圖分類號：U653 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0264-02

引 言

近年來，我國的港口工程發展迅速，靠船樁簇是實際應用中最廣泛的水平承載群樁結構，它所承受的內力錯綜復雜，設計和施工人員往往會在此問題上困擾，且目前解決辦法缺乏統一性，整體行業處于無規則約束狀態，本文以實際碼頭為案例，介紹了經受的荷載情況，并對計算靠船樁簇設計中內力的計算方法進行了探討，最終得出了一套實用的計算理論。

1 項目概況

某水上執法機構靠泊碼頭建造工作躉船、靠船樁簇、引橋等。工作躉船尺度46.5×12×2.0×0.9m，，靠船樁簇3×3×3m，棧橋15.22×2.5m，工藝荷載中恒載為結構自重；人群荷載：①碼頭面荷載：q=5.32kN/m2；②棧橋面荷載：q=3.55kN/m2；流動機械荷載：棧橋面不考慮流動機械荷載。地震基本烈度：根據2015年頒布的規范《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015）對東莞地區的數據顯示，東莞市沙田鎮的抗震設防烈度是Ⅶ度，設計基本地震加速度值為0.10g，反應譜特征周期為0.35s。

2 荷載組合

2.1 承載能力極限狀態下的持久效應組合

組合一：恒載+碼頭均布荷載+系纜力；

組合二：恒載+碼頭均布荷載+撞擊力；

組合三：恒載+碼頭均布荷載+擠靠力；

組合三：恒載+流動機械荷載+均載+系纜力；

組合四：恒載+流動機械荷載+均載+撞擊力。

2.2 正常使用極限狀態下持久狀態的長期效應（準永久）組合

組合一：恒載+碼頭均布荷載+系纜力；

組合二：恒載+碼頭均布荷載+撞擊力；

組合三：恒載+碼頭均布荷載+擠靠力；

組合三：恒載+流動機械荷載+均載+系纜力；

組合四：恒載+流動機械荷載+均載+撞擊力。

2.3 承載能力極限狀態下的地震效應組合

組合一：恒載+碼頭均布荷載+系纜力+地震荷載；

組合二：恒載+碼頭均布荷載+撞擊力+地震荷載。

2.4 承載能力極限狀態下的短暫效應組合

組合：恒載+施工荷載。

3 水文地質條件

3.1 設計水位（珠江基面）

以下設計水位從當地理論最低潮面起算：

設計高水位（高潮10%）：3.24m；

設計低水位（低潮90%）：0.53m；

極端高水位（50年一遇）：4.32m；

極端低水位（50年一遇）：-0.18m。

3.2 設計波浪

本項目位于虎門以內河段，50年一遇設計波要素H1%小于1.5m。

3.3 海 流

在發生特大洪水時海流的水流速度最大會達到1.0m/s上下，在旱季時期或枯水期海流的斷面流動速度最大可達到0.8m/s上下，海流的平均流速在0.5m/s上下。

3.4 地質條件

對當地的現狀做了實地勘探，勘探數據經過分析處理后，根據現場挖孔、鉆孔過程中的土質分析，工作人員將當地的巖石土層共分為四層，第一類是人工挖土，代號為Qml，第二類是海洋陸地相互沉積產生的巖層，代號為Q4mc，第三類是經過上千年的風力侵蝕產生的巖層，代號為Qel，第四類是紅褐色的沉積巖層，時間為白堊紀，代號為K2。

（1）人工填土（Q4ml，層號1）

素填土（層號①）

該層僅在陸域鉆孔ZK13中分布，層頂高程5.00m，層頂埋深0.00m，厚度5.90m。土性為素填土，由砂性土含碎石筑填，混凝土共1m位于上部結構，素填土沒有經過壓實，因此整體結構較差，無法承受上部高密度的荷載，且會出現流動性較強的問題，土質問題嚴重，如果需要在水工工程中使用，則應采取換填土的方法更新土質。

（2）第四系海陸交互相沉積（Q4mc，層號2）

第四系海陸交互相沉積根據土質物理性質不同分為兩個土層：

淤泥、淤泥質土（層號②1）

場地內所有鉆孔均有分布，層頂高程-11.40～-6.50m，層頂埋深7.30～15.90m，厚度0.70～4.70m，平均厚度2.07m。土層顏色為灰黃色，土質較為優質，整體粘聚性能強。標貫試驗10次，實測擊數N′=7～11擊，修正擊數N=4.7～8.1擊，平均6.7擊，標準值6.2擊。

（3）風化殘積層（Q4el，層號3）

整個場地11個鉆孔中有分布，土性為泥質粉砂巖風化而成的粉質粘土。

粉質粘土（層號③）

粉質粘土的層頂高程-12.60～-10.10m，粉質粘土的層頂埋深10.20～15.50m，粉質粘土的厚度0.80～4.30m，粉質粘土的平均厚度1.84m。

（4）白堊系紅色碎屑沉積巖（K2，層號4）

白堊系紅色碎屑沉積巖的巖石底部基礎是沉積巖組成，巖石結構較為細小，呈分層結構顯示，其中泥質粉砂巖較為多，風華程度較為嚴重，整體土質松散。

強風化泥質粉砂質巖（層號④1）

強風化泥質粉砂質巖在勘查過程中鉆孔的分布具有較大面積，層頂標高-16.95～-11.20m，層頂埋深11.30～18.40m，厚度0.80～9.00m，平均3.38m。

中風化泥質粉砂巖、粗砂巖（層號④2）

場地內所有的鉆孔均有分布，層頂高程-25.6～-13.14m，層頂埋深12.70～25.40m，揭露厚度2.97～13.00m，平均7.13m。局部泥質粉砂巖與粗砂巖互層，粉砂質結構、粗粒結構，中～厚層狀構造。

4 結構計算

4.1 系船柱結構計算

轄區管理船舶系纜力根據規范公式計算，考慮風和水流共同作用，按9級風時船舶離開碼頭，風速V=22m/s，碼頭水流流速按1.0m/s計。

系纜力按《港口工程荷載規范》規范其計算公式為：

系纜力計算結果見表1。

船舶有效撞擊能量按下式計算：

研究船舶-結構碰撞外部機理主要有三種途徑：解析法、數值解法和物理模擬方法。解析法是根據一般剛體動力學中的動量守恒定理求出碰撞過程中的動能損失的一種方法，其具有代表性的是Minorsky理論。數值解法則是運用簡化的非線性有限元進行的船舶與結構的碰撞分析方法，其中Pedersen方法最具代表性。物理模擬方法是通過建立物理模型來分析船舶與結構碰撞的方法。工作躉船通過柔性定位靠船樁與躉船拋錨相結合的系留方式固定，且兼靠20m級監督船兩艘，故躉船系船力需考慮此種情況計算最大拉力。

系船柱滿足規范要求。

4.2 橡膠護舷結構計算

船舶靠岸時的撞擊力標準值根據船舶有效撞擊能量和橡膠護舷性能曲線及靠船結構的剛度確定。當船舶作用于第二、第三和第四層鋼聯系梁處時，可得出與船舶作用于第一層鋼聯系梁處時相類似的結論，只是船舶撞擊不同層鋼聯系梁時水平位移與船舶撞擊力的關系式，定位墩結構吸能量與船舶撞擊力的關系式以及船舶船舶撞擊力與船舶有效撞擊能量的關系式有所變化。

船舶有效撞擊能量按下式計算：

船舶靠岸撞擊力計算結構見表2。

船舶撞擊能量標準值為19.8kJ，選用D型300H×1500L橡膠護舷，反力適中，安裝、更換方便。

4.3 靠船簇樁結構計算

（1）簇樁結構簡單，主要承受船舶荷載，其結構控制荷載為工作躉船船舶力。采用MIDAS有限元軟件對結構進行空間有限元計算。

（2）云圖模型計算結果如圖1所示。

（3）計算結果（見表3所示）。

滿足要求。

5 總 結

本文在經過對荷載分析、傳統方法總結經驗的基礎上，提出了新的計算水工工程靠船樁簇內力的方法，對其它方法做了總結，實際工程應用中每個方法各有優劣，應按照不同的工程背景和施工條件選擇。

參考文獻

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[3]齊同欽，陳 新，王留洋.柔性靠船樁簇結構受力計算[J].水運工程，2015（08）：17～20.

收稿日期：2018-11-4

作者簡介：余 學（1973-），男，工程師，本科，主要從事水工工程設計和施工工作。