游艇碼頭定位樁計算的初步探討

蘇長南 劉捷 龍正如 廣東粵電陽江海上風電有限公司

在游艇碼頭設計中，需要通過計算定位樁的水平荷載以確定定位樁的樁徑及樁間距。定位樁的水平荷載主要是由浮橋以及靠泊游艇受風、水流和波浪作用產生。《游艇碼頭設計規范》（JTS165-7-2014）[1]給出了風荷載，水流力和波浪力的計算方法，但未明確定位樁的具體計算內容。本文以《游艇碼頭設計規范》（JTS165-7-2014）[1]為基礎，參考澳大利亞《游艇碼頭設計指南》（AS3962-2001），以某游艇碼頭工程計算為例，對定位樁的計算進行了詳細分析。

1.某游艇碼頭浮橋概況

浮橋標準段立面圖如圖1。

2.定位樁計算荷載組合

根據《游艇碼頭設計規范》(JTS165-7-2014)第7.3.3條，浮橋、定位樁的承載能力、構件承載力等應按承載能力極限狀態設計；混凝土構件的抗裂或限裂、構件的變形和結構的位移等應按正常使用極限狀態設計。

根據《游艇碼頭設計規范》(JTS165-7-2014) 第7.3.5條，作用效應組合的原則及分項系數應按現行國家標準《港口工程結構可靠性設計統一標準》（GB50158）有關規定執行。由于這條規定說法較籠統，可操作性不強，實際設計過程中參照澳大利亞《游艇碼頭設計指南》（AS3962-2001）的第4.2條規定，由于環境荷載對游艇碼頭設計的關鍵性，正常使用極限狀態通常不是決定性的。對于浮筒需特別考慮，浮筒穩定性分開處理。

（1）對于定位樁。

a.風荷載（極限風速率）+1.5×水流力+1.5×波浪力

b.若洪水或巨涌可能發生：

0.8×風荷載（極限風速率）+1.25×水流力+1.25×最高水位下波浪力

（2）對于游艇碼頭。

風荷載（極限風速率）+1.5×水流力+1.5×波浪力+1.5×波浪運動的垂直作用

（3）船只沖擊。

1.25×由船只沖擊產生的荷載（沒有環境荷載）

3.定位樁計算

定位樁受到的水平力主要是浮橋以及靠泊游艇受風作用產生的水平力;浮橋以及靠泊游艇受水流作用產生的水平力;浮橋以及靠泊游艇受波浪作用產生的水平力。此外，游艇靠泊時產生的撞擊力也會通過浮橋作用在定位樁上，游艇靠泊時的撞擊力標準值可根據游艇有效撞擊能量、防沖設施性能曲線和浮橋結構的剛度確定。由于游艇需要較好的風浪條件才能靠泊，在允許游艇靠泊的工況下，游艇靠泊時的撞擊力及風、浪、流產生的水平力的組合對定位樁受到的水平力不起決定性的作用，因此本文不考慮允許游艇靠泊的工況下定位樁的水平力計算。

（1）浮橋風荷載計算。浮橋寬2m，長度方向每隔12m有2根定位樁。因為浮橋與船只的特點相似，所以計算浮橋風荷載時，把浮橋等效簡化成方形船舶來計算。由于浮橋干舷高度一般在0.3～0.6m范圍內，取浮橋極限受風高度為0.6m（浮橋水流力計算時，浮橋極限吃水取為0.6m，實際上浮橋極限吃水和受風高度不會同時為0.6m，因此，浮橋受水流力和風荷載作用的計算偏于安全）。根據《游艇碼頭設計規范》(JTS165-7-2014)，作用于游艇上的風荷載可按現行行業標準《港口工程荷載規范》的規定計算。浮橋等效簡化船舶風荷載計算如下：

圖1 浮橋標準段立面圖

式中：

FXW，FyW—分別為作用在船舶上的計算風壓力的橫向和縱向分力（kN）；

AXW，AyW—分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積（m2）。浮橋橫向受風面積AXW=12×0.6=7.2m2。浮橋縱向受風面積AyW=2×0.6=1.2m2；

VX，VY—分別為設計風速的橫向和縱向分量，船舶在超過九級風（最大風速為22m/s）時離碼頭到錨地避風，因此控制風速VX，VY=22m/s。

ξ1—風壓不均勻折減系數。取1.0。

ξ2—風壓高度變化修正系數。取1.18。

因此，浮橋風荷載，FXW（浮橋）=73.6×10-5×7.2×22×22×1.0×1.18=3.026kN，FYW（浮橋）=49.0×10-5×1.2×22×22×1.0×1.18=0.336kN

（2）靠泊游艇風荷載計算。根據《游艇碼頭設計規范》(JTS165-7-2014)，作用于游艇上的風荷載可按現行行業標準《港口工程荷載規范》的規定計算。21m游艇風荷載計算如下：

式中：

FXW，FYW—分別為作用在船舶上的計算風壓力的橫向和縱向分力（kN）；

AXW，AYW—分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積（m2）。根據《游艇碼頭設計規范》(JTS165-7-2014)附錄A表A.0.1-2，分別取80和25。

VX，VY—分別為設計風速的橫向和縱向分量，船舶在超過九級風（最大風速為22m/s）時離碼頭到錨地避風，因此控制風速VX，VY=22m/s。

ξ1—風壓不均勻折減系數。取1.0。

ξ2—風壓高度變化修正系數。取1.18。

因此，游艇風荷載FXW（游艇）=33.6kN，FYW（游艇）= 7.0kN。

考慮到定位樁間距12m，而游艇長度為21m，因此將游艇風荷載按比例分配到兩個定位樁上，即

（3）浮橋水流力計算。浮橋寬2m，長度方向每隔12m有2根定位樁。因為浮橋與船只的特點相似，所以計算浮橋水流力時，把浮橋等效簡化成方形船舶來計算。由于浮橋干舷高度一般在0.3～0.6m范圍內，取浮橋極限吃水深度為0.6m，水流方向與浮橋垂直。根據《游艇碼頭設計規范》(JTS165-7-2014)，浮橋水流力計算如下：；

式中：

F— 作用于游艇上的水流力（kN）；

Cd—水流阻力系數；取0.8

V—水流速度（m/s）；取1.0

A—游艇水下部分垂直于流方向的投影面積（m2）。12m浮橋標準段內布置了6組12個浮箱，因此，A=6×1.4×0.6=5.04m2。

因此，浮橋水流力F水（浮橋）=0.8×1×1×5.04=4.03kN

（4）靠泊游艇水流力計算。靠泊游艇按最大設計船型21m計算，水流方向與游艇縱向垂直。根據《游艇碼頭設計規范》(JTS165-7-2014)，游艇水流力計算如下：F=C dV2A；

式中：

F— 作用于游艇上的水流力（kN）；

Cd—水流阻力系數；取0.8

V—水流速度（m/s）；取1.0

A—游艇水下部分垂直于流方向的投影面積（m2）。按21m游艇計算，由于定位樁間距是12m，投影面積取為12×1.6=19.2。

因此，靠泊游艇水流力F水（游艇）=0.8×1×1×19.2=15.36kN

（5）浮橋波浪力計算。設計游艇碼頭港池時，一定要限制波浪高度，以確保游艇安全停泊并保護船只安全。

根據《游艇碼頭設計規范》(JTS165-7-2014)第5.3.1條，岸式泊位的系泊允許波高應滿足：橫浪H1%≤0.5m（50年一遇）；第7.4.6條，作用于浮箱的波浪力可參照現行行業標準《海港水文規范》（JTS 145-2-2013）計算，資料不足時，水平波浪荷載可取2kPa。

浮橋極限吃水取為0.6 m，12m 浮橋標準段投影面積為1.4×0.6×6=5.04m2因此，F波（浮橋）=2×5.04=10.08kN

（6）靠泊游艇波浪力計算。靠泊游艇取最大設計船型21 m游艇計算，游艇最大吃水1.6 m，在12 m浮橋標準段內游艇投影面積為12×1.6=19.2m2，因此，F波（游艇）=2×19.2=38.4kN

（7）樁綜合計算。

a.只考慮環境荷載時，作用在單樁上的水平荷載為

b.當考慮船舶荷載時，可不考慮浮橋的環境荷載。船舶荷載包含系纜力、擠靠力和撞擊力。系纜力和擠靠力不會同時存在，且擠靠力（由風和水流力產生）比系纜力大，因此，游艇只考慮環境荷載影響下的擠靠力和撞擊力。由于撞擊力由波浪作用產生，撞擊力和擠靠力也不會同時存在。因此船舶荷載下樁的水平荷載取擠靠力和撞擊力二者的大值。

①擠靠力。

由于，《游艇碼頭設計規范》(JTS165-7-2014)中只給出船舶受風投影面積，沒有給出與船舶受風投影面積相對應的吃水，這樣兩項取最大疊加與澳大利亞《游艇碼頭設計指南》（AS3962-2001）不符，所以樁的水平荷載應取單項最大。

②撞擊力。

船舶的波浪力屬于船舶撞擊力，與擠靠力不會同時存在。

綜上可得，浮橋對定位樁產生的水平荷載應取為24.19kN。

（8）定位樁抗彎承載力計算。

計算條件：

①定位樁入土段嵌固模型采用假想嵌固點法，定位樁嵌固點距泥面4.5m，自由長度為12.5m，水平荷載為24.19kN。

②選用DN450 鋼管樁，外徑480mm，壁厚度9mm。

③樁身材料的彈性模量EP=2.06×105Mpa，I=3.69×10-4m4。

根據以上計算條件，定位樁可按懸臂梁計算彎矩：

定位樁最大應力為：

定位樁允許應力為215Mpa，因此，定位樁在水平荷載作用下滿足要求。

4.結論

本文以《游艇碼頭設計規范》（JTS165-7-2014）為基礎，參考澳大利亞《游艇碼頭設計指南》（AS3962-2001），通過對浮橋以及靠泊游艇受風、水流和波浪作用產生的水平力進行詳細分析計算，最后得到單樁上的水平荷載。通過單樁水平荷載可確定定位樁樁徑和樁間距，從而避免了游艇碼頭設計中定位樁設計的盲目性，對游艇碼頭設計有積極的指導意義。