大噸位混凝土錨固基礎(chǔ)設(shè)計

唐繼蔚 王 鈺

（交通運輸部上海打撈局，上海 200090）

0 引 言

我國海域遼闊，海底土質(zhì)多樣，有黏土、砂土、珊瑚巖、鈣質(zhì)砂等[1]，在不同海域進(jìn)行工程建設(shè)時需要設(shè)計合適的系泊系統(tǒng)，錨固基礎(chǔ)是系泊系統(tǒng)中重要的承載構(gòu)件之一，需要根據(jù)不同的土質(zhì)特點選擇適用的形式。大噸位錨固基礎(chǔ)屬于重力式錨，其由鋼筋、混凝土和鋼材等材料制成。有關(guān)重力錨的設(shè)計計算，早在1982 年TaylorR[2]給出了相應(yīng)的選取原則和設(shè)計計算方法。Michael Grant Seibert（2011）[3]為南佛羅里達(dá)海洋再生能源體系設(shè)計了重力錨泊系統(tǒng)，討論了在佛羅里達(dá)海底600～800 m 水下，年代久遠(yuǎn)的沉積土、欠固結(jié)淤泥，以及有砂土的硬層土可選擇的錨泊形式。在“世越”號打撈時由于海底泥質(zhì)堅硬，現(xiàn)場設(shè)計使用鋼筋混凝土重力錨在實際施工中提供了200 t 以上的錨抓力[4]。

重力式錨具有適應(yīng)范圍廣、安裝簡單等優(yōu)點，不僅可以提供較高的水平爪力，還具有一定的抗垂向拉力的能力。在一些特殊環(huán)境，例如熱帶島嶼或火山環(huán)礁起源地，這些地方一般有陡峭山坡、不規(guī)則的地形、不定厚度的沉積物，針對硬質(zhì)海底土壤條件如：珊瑚砂、巖石、碎石土等，無法使用常規(guī)船錨或者吸力樁等作為臨時錨泊系統(tǒng)，而重力式錨可滿足使用要求。雖然底質(zhì)的剪切強度和錨與底質(zhì)之間的摩擦力會影響重力錨承受水平負(fù)荷的能力，但是波浪載荷對重力錨的承載力的影響同樣十分顯著，在波浪載荷作用下，重力錨的水平承載力會下降[5]。為增大重力錨水平承載力，推薦底部帶有剪力鍵的重力錨作為海洋平臺系泊裝置[6]。

重力錨的大小和形式取決于其所要錨固結(jié)構(gòu)物的要求，隨著結(jié)構(gòu)物的不同具有很大的差異[7]。大噸位混凝土錨固基礎(chǔ)作為重力錨的一種可滿足大型結(jié)構(gòu)物系泊要求，根據(jù)現(xiàn)有錨固基礎(chǔ)水平承載力計算方法結(jié)合環(huán)境載荷影響提出大噸位錨固基礎(chǔ)水平承載力計算公式和重量計算方法，并對大噸位錨固基礎(chǔ)的設(shè)計和吊裝、連接眼板強度進(jìn)行了研究。最后通過計算案例詳細(xì)介紹大噸位混凝土錨固基礎(chǔ)的設(shè)計與計算過程，為其實際應(yīng)用提供參考。

1 錨固基礎(chǔ)設(shè)計

1.1 水平承載力計算

根據(jù)《BARTHOLOMEW CharlesA.USnavysalvage engineer’s handbook.USA:US Navy,1992:G1-G36》[8]的數(shù)據(jù)，對于非黏性土，錨在水平荷載作用下，錨底土體發(fā)生排水剪切破壞，其最大水平承載力為：

式中，μ為錨底與土體的摩擦系數(shù)或為有剪力鍵時土與土之間的摩擦系統(tǒng)，μ=tan(?-5)（在沒有剪力鍵的鋼質(zhì)或混凝土的錨底需要折減5°），μ=tan(?)（有剪力鍵的錨固基礎(chǔ)）；?為錨底土體內(nèi)摩擦角；Wb為錨在水下的重力；Fve為設(shè)計載荷與錨鏈載荷豎直方向上的分力；Fh為設(shè)計載荷與錨鏈載荷在水平方向上的分力；γb為土的浮重度；A為錨底面積；Df為剪力鍵入泥深度，海底泥面以下；β為海底泥面坡角；Rp為錨底前沿的被動土壓力。

1.2 環(huán)境載荷計算

錨固基礎(chǔ)還需要克服環(huán)境載荷（波浪力及水流力）所帶來的水下水平載荷，其中以水流力為主，計算公式如下：

式中，Cw為水流阻力系數(shù)；ρw為水的密度；A為計算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積；V為水流設(shè)計流速。

1.3 錨固基礎(chǔ)重量計算

根據(jù)錨固基礎(chǔ)水平承載力和環(huán)境載荷可推導(dǎo)出混凝土錨固基礎(chǔ)的水下重力，計算公式如下：

若土壤承載力能力未知，無法評估錨嵌入土壤的深度，同時考慮到潮流沖刷等綜合性因素，γbADf和Rp可以忽略，且當(dāng)錨固基礎(chǔ)只受水平拉力（β=0）即沒有豎向拉力時錨固基礎(chǔ)水下重力計算公式可轉(zhuǎn)化為：

混凝土錨固基礎(chǔ)空氣中的重力計算公式如下：

式中：ρc為混凝土密度。

2 大噸位混凝土錨固基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

大噸位混凝土錨固基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括錨固基礎(chǔ)本體、剪力鍵、吊裝眼板、錨鏈連接眼板、定位用定位設(shè)備底座，如圖1 所示。在設(shè)計時需要注意的關(guān)鍵點：

圖1 大噸位混凝土錨固基礎(chǔ)示意圖

（1）錨固基礎(chǔ)本體混凝土結(jié)

構(gòu)需滿足GB50204 混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收規(guī)范[9]的相關(guān)要求，考慮其主要用于水下，建議使用C35 及以上標(biāo)號的混凝土，鋼筋不能露出混凝土表面，必要時需要加裝陽極保護(hù)。

（2）錨固基礎(chǔ)吊裝眼板的間距要

符合施工設(shè)計要求，例如需要與所選浮吊船吊鉤間距相匹配、考慮吊索的開角等；

（3）眼板包括主體、圓柱頭焊釘、加強板，設(shè)計時不僅需要校核其結(jié)構(gòu)強度，還要考慮周圍混凝土強度。眼板結(jié)構(gòu)上的圓柱頭焊釘可增加其與混凝土的結(jié)合力；加強板用于增強眼板的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性；眼板底部和錨固基礎(chǔ)的鋼筋層連接，進(jìn)一步增強其與混凝土的結(jié)合力。

（4）定位設(shè)備是安裝時的關(guān)鍵設(shè)備，可保證錨固基礎(chǔ)布放的精準(zhǔn)度。其底座由鋼板和鋼筋組成，嵌入于錨固頂部，露出的鋼板部分可用于安裝水上、水下定位設(shè)備。

圖2 眼板結(jié)構(gòu)示意圖

3 眼板結(jié)構(gòu)強度校核

眼板作為吊裝鎖具、錨鏈的連接結(jié)構(gòu)，形式簡單、制作方便、卸扣連接簡便、結(jié)構(gòu)強度高等優(yōu)點，只需要在錨固基礎(chǔ)澆筑前預(yù)埋至其內(nèi)部，施工難度低。

眼板設(shè)計可以根據(jù)AISCASD9thEdition 鋼結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力設(shè)計規(guī)范[10]對眼板結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行校核。

3.1 眼板吊點擠壓應(yīng)力校核

按上述規(guī)范要求抗擠壓許用應(yīng)力為：

式中：σs為鋼材屈服強度。

假定擠壓應(yīng)力是均勻分布的，則工程上簡化的實用計算公式如下：

式中：Fb為擠壓力，Ab為擠壓面面積。通常銷軸與眼板孔擠壓應(yīng)力分布情況如圖3 所示，最大應(yīng)力發(fā)生在半圓柱形接觸面的中點，它與實用計算所得的擠壓應(yīng)力大致相等。擠壓面面積Ab為擠壓面的正投影面積，對于半圓柱形擠壓面面積就是直徑平面面積（如圖4 所示），即：Ab=td。

圖3 銷軸與眼板孔擠壓應(yīng)力分布圖

圖4 擠壓應(yīng)力等效投影面

3.2 眼板吊點孔剪切應(yīng)力校核

根據(jù)規(guī)范要求抗剪切許用應(yīng)力為：

假設(shè)應(yīng)力在剪切面內(nèi)是均勻分布的，即平均應(yīng)力也稱名義剪應(yīng)力，工程上簡化的實用計算公式如下：

式中：Q s為剪力，As為剪切面面積。

3.3 眼板拉應(yīng)力校核

根據(jù)規(guī)范要求抗拉許用應(yīng)力為：

眼板拉應(yīng)力計算公式為：

式中：FT為眼板受到的拉力，AT為眼板截面積。

3.4 眼板彎曲應(yīng)力校核

根據(jù)規(guī)范要求抗彎許用應(yīng)力為：

眼板截面如圖5 所示，繞X 軸彎曲應(yīng)力計算公式為：

圖5 眼板截面示意圖

式中：MXX為眼板繞X 軸方向所受彎矩；L為中性軸位置，；W為眼板主板寬度；tg為眼板側(cè)板厚度；IXX為眼板截面X 軸慣性矩計算公式如下：

式中：tm為眼板主板厚度；W g為眼板側(cè)板寬度。

繞Y 軸彎曲應(yīng)力計算公式為：

式中：MYY為眼板繞Y 軸方向所受彎矩；IYY為眼板截面Y 軸慣性矩計算公式如下：

4 錨體強度校核

在眼板受拉時，眼板底部T 型結(jié)構(gòu)對錨體有破壞影響，需要對錨體的強度進(jìn)行校核。根據(jù)GB50010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[11]可獲得不同強度等級的混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值ft。可參照J(rèn)GJ145 混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程[12]對混凝土抗拔強度進(jìn)行校核，單個眼板（錨栓）受拉時，混凝土理想錐體破壞投影面面積Ac,N應(yīng)按下式計算：

式中，Scr,N為混凝土錐體破壞且無間距效應(yīng)和邊緣效應(yīng)情況下，每個錨栓達(dá)到受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值的臨界間距（mm），應(yīng)取Scr,N=3hef；h ef為眼板埋入深度。

則極限破壞載荷為：

混凝土強度校核需要滿足：F＞T，T為眼板受拉力。

圖6 理想錐體破壞投影面面積示意圖

5 設(shè)計實例

5.1 錨固基礎(chǔ)重量計算

選取某海域平臺錨泊系統(tǒng)作為設(shè)計目標(biāo)，作業(yè)水深約40 m，海底水流速度1m/s，海底摩擦系數(shù)0.6，最大張力1 900 kN，安全系數(shù)1.5，C35 混凝土密度為2.5 t/m3，錨固基礎(chǔ)初步設(shè)計長11.5 m、寬11 m、高3.5 m。矩形水流阻力系數(shù)魏1.5，根據(jù)公式（2）可知：

故水下重量為

考慮安全系數(shù)后錨固基礎(chǔ)空氣中重力為：

即設(shè)計空氣重量為：

眼板卸扣銷子直徑d=160mm；眼板主板寬度W=700mm；眼板孔距離混凝土表面高度H=300mm；主板厚tm=80mm；主板頂部半徑Rm=350mm；眼板頰板厚tc=45mm；眼板頰板半徑Rc=200mm，眼板孔半徑Rh=84mm側(cè)板寬度Wg=500mm；側(cè)板厚度

實際錨固基礎(chǔ)體積約為440 m3、實際重量為1 100 t 滿足設(shè)計重量要求。

5.2 吊裝眼板強度校核

錨固基礎(chǔ)重1 100 t，吊裝眼板4 個，單個眼板豎向載荷2 695 kN，吊裝最大角度85°，吊裝眼板所受載荷2 705.3 kN，安全系數(shù)為2，故眼板校核載荷為5 410.6 kN。tg=45mm；材料屈服強度345 MPa。

（1）擠壓應(yīng)力校核

眼板孔擠壓時總板厚：

由公式（7）可知擠壓應(yīng)力為：

許用擠壓應(yīng)力為：

（2）剪切應(yīng)力校核

眼板有效剪切面積：

根據(jù)公式（9）可知剪切應(yīng)力為：

許用剪切應(yīng)力為：

（3）拉應(yīng)力校核

眼板主板受拉面積：

根據(jù)公式（11）可知拉應(yīng)力為：

許用拉應(yīng)力為：

（4）彎曲應(yīng)力校核

主要考慮平面內(nèi)彎矩，繞X 軸慣性矩按公式（12）可知

水平分力：

力矩：

根據(jù)公式（13）彎曲應(yīng)力為：

許用彎曲應(yīng)力為：

圖7 眼板設(shè)計示意圖

5.3 錨體強度校核

依據(jù)GB50010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范C35 混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值ft=1.57MPa。根據(jù)設(shè)計吊裝眼板埋入深度；根據(jù)可知臨界間距。按公式（17）可知

按照公式（18）可知極限破壞載荷為：

錨體極限破壞載荷遠(yuǎn)大于眼板吊裝載荷（5 410.6 kN），故滿足錨體強度要求。

6 結(jié) 論

（1）大噸位混凝土錨固基礎(chǔ)實際與土接觸時不僅作用于接觸面上，其側(cè)面和剪力鍵對水平承載力都有一定的作用，但在現(xiàn)有計算公式中無法反映出復(fù)雜的土壤接觸情況，更多需要依靠試驗方法獲取的摩擦系數(shù)進(jìn)行保守計算，在公式中考慮了流體對于錨固基礎(chǔ)的作用，但流體計算方法和工況較多，仍需要做進(jìn)一步的研究。

（2）大噸位錨固基礎(chǔ)的吊裝是其使用中最重要的工況之一，嵌入錨體內(nèi)部的眼板和錨體本身的結(jié)構(gòu)強度直接關(guān)乎作業(yè)安全。通過計算案例詳細(xì)介紹了眼板及錨體強度的校核方法可供參考，由于錨鏈連接眼板和吊裝眼板形式相同且載荷相比較低則不再重復(fù)計算。

（3）大噸位錨固基礎(chǔ)使用范圍廣，但由于體積和重量較大，不利于反復(fù)使用，較適用于固定式結(jié)構(gòu)物的錨泊系固等長期使用的環(huán)境。