扭王字塊特性研究

金曉東

（中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司海外分公司，廣東 珠海 519000）

1 引言

扭王字塊是一種廣泛運(yùn)用于港口工程中做護(hù)面塊體的預(yù)制混凝土構(gòu)件，擺放在防護(hù)結(jié)構(gòu)的最外面一層，通過(guò)削弱波浪的沖擊力保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主體。其外觀由三個(gè)桿件組成，兩端平行桿件及中間的正交桿件，很像中國(guó)字“王”字將中間一橫水平旋轉(zhuǎn)90°而得到的形體，所以被命名為“扭王字塊”。盡管國(guó)內(nèi)工程界使用扭王字塊已經(jīng)三十多年，但對(duì)扭王字塊的來(lái)歷出身、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工特性并沒(méi)有很好的認(rèn)知或總結(jié)出普遍的規(guī)律。為此，本文將解答以上問(wèn)題。

2 扭王字塊體發(fā)明者及國(guó)內(nèi)運(yùn)用時(shí)間

關(guān)于扭王字塊的發(fā)明問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范及大專院校教材均無(wú)介紹。通過(guò)查找網(wǎng)絡(luò)搜索得知：1980 年，法國(guó)工程師索格雷（Sogreah）發(fā)明了新型防波堤護(hù)面塊體Accropode，并于1996 年提出了專利申請(qǐng)，是為Accropode Ⅰ代。此后，廣泛應(yīng)用于港口、海岸工程之中。1999 年，索格雷（Sogreah）對(duì)Accropode Ⅰ代進(jìn)行了改造，削去多余的混凝土并在外形上增加類似小金字塔的構(gòu)造，命名為Accropode Ⅱ，并于2000 年申請(qǐng)獲得了專利。由此，可知扭王字塊是由法國(guó)人發(fā)明的。

查閱最早的1987 年版的《防波堤規(guī)范》(JTJ218-87)，里面并無(wú)關(guān)于扭王字塊的使用介紹，而10 年之后的1998 年版的《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTJ298－98）里面已經(jīng)有兩種扭王字塊的介紹及運(yùn)用：A 型（見(jiàn)圖1）及B 型（見(jiàn)圖3），其中A 型扭王字塊和Accropode Ⅰ代一模一樣。時(shí)間來(lái)到2018 年，最新的《防波堤與護(hù)岸設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS154-2018）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）中依然是A 型及B 型扭王字塊，由此可知，扭王字塊至少是在1987 年后才在我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用的。

圖1 Accropode Ⅰ（A 型）

圖2 Accropode Ⅱ

圖3 B 型扭王字塊

3 扭王字塊的體積公式推導(dǎo)

由上文得知，國(guó)內(nèi)現(xiàn)行常用的扭王字塊共有兩種類型，分別為A 型（見(jiàn)圖1）和B 型（見(jiàn)圖3）。

根據(jù)《規(guī)范》，A 型的體積公式為VA=0.330h3，B型的體積公式為VB=0.265h3，本著求真務(wù)實(shí)的態(tài)度以B型扭王字塊的體積公式為例進(jìn)行推導(dǎo)。

圖4 得知，B 型扭王字塊體，其外形尺寸共有6 個(gè)參數(shù)，分別為h、a、b、c、d、e。

表1 B 型扭王字塊外形尺寸系數(shù)關(guān)系

圖4 B 型扭王字塊立視圖

可將B 型扭王字塊的體積計(jì)算分成兩部分：中間軀桿的體積及六個(gè)肢桿的體積，如圖5 所示：

圖5 B 型扭王字塊體積分解圖

中間軀桿的體積為長(zhǎng)方體，每個(gè)肢桿的體積為四棱臺(tái)體積減去四個(gè)小三角錐體積。計(jì)算公式如下（保留小數(shù)點(diǎn)后5 位）：

將a=0.333h，代入上式。上式可改寫為：

B 型扭王字共有六個(gè)肢桿，肢桿體積公式：

3.1 計(jì)算肢桿四棱臺(tái)的體積

將a=0.333h，b=0.217h，代入上式。上式可改寫為：

3.2 計(jì)算肢桿四棱臺(tái)切角三棱錐的體積

每個(gè)肢桿均有4 個(gè)削角，每個(gè)削角的體積可按三棱錐體積公式計(jì)算：

將a=0.333h，，e=0.025h 代入上式。上式可改寫為：

B 型扭王字塊的體積計(jì)算式可寫作為：

A 型扭王字塊的體積計(jì)算式推導(dǎo)過(guò)程和B 型類似，在此不再贅述，推導(dǎo)計(jì)算結(jié)果保留三位小數(shù)的情況下為，比理論計(jì)算公式。

4 扭王字塊最優(yōu)預(yù)制場(chǎng)地面積

工程實(shí)際當(dāng)中，經(jīng)常需要考慮預(yù)制場(chǎng)地的布置情況，如此在滿足生產(chǎn)效率的前提下，最小的場(chǎng)地使用面積即可節(jié)約資金的投入。預(yù)制一塊扭王字塊，需要的最小場(chǎng)地面積是多少？以B 型扭王字塊為例，結(jié)合最常采用立式成型預(yù)制工藝，對(duì)其所需最小預(yù)制面積進(jìn)行研究。

由基礎(chǔ)幾何知識(shí)得知，在二維平面當(dāng)中，面積一定，圓型的邊長(zhǎng)是所有幾何圖形當(dāng)中最短的。

扭王字塊預(yù)制場(chǎng)地面積由兩部分組成：塊體本身底面所占面積及相應(yīng)的作業(yè)操作空間。

俯視扭王字塊，可以看作一個(gè)“十字”，“十字”的兩條中心交叉線相等且為扭王字塊的高h(yuǎn)，以h 做正方形，以正方形的對(duì)角線為直徑畫圓，該圓的面積即為預(yù)制一塊扭王字所需場(chǎng)地的最小面積。如圖6-a 所示。

圖6 B 型扭王字塊預(yù)制場(chǎng)地面積

根據(jù)此公式，在知道某型號(hào)扭王字塊體總預(yù)制量、工期的情況下，即可合理規(guī)劃預(yù)制場(chǎng)地的面積。實(shí)際應(yīng)用中，將圓面積轉(zhuǎn)化為正方形面積即可（見(jiàn)圖6-b）。

5 堆存扭王字塊最小場(chǎng)地面積

扭王字塊預(yù)制好之后，需要將塊體轉(zhuǎn)存到堆放場(chǎng)地，“存”的目的是方便“取”。同樣基于面積一定，圓周長(zhǎng)最短的事實(shí)。俯視扭王字塊，可以看作一個(gè)正交的“十字”，“十字”的水平邊線和豎直邊線均相等，且為扭王字塊的高h(yuǎn)，以“十字”交點(diǎn)為中心，邊長(zhǎng)為直徑做圓，此圓型的面積即為堆存一塊扭王字塊所需的最小面積。

仍以B 型扭王字塊為例，將其高度h 視為圓的直徑，半徑則為，則面積計(jì)算公式為求圓的面積：將，代入上式，計(jì)算得到。實(shí)際使用快速計(jì)算中可向上取（見(jiàn)圖7-a）。實(shí)際應(yīng)用中，將圓面積轉(zhuǎn)化為5 個(gè)邊長(zhǎng)為0.4h 的正方形拼成的“十字”即可（見(jiàn)圖7-b）。

圖7 B 型扭王字塊存放場(chǎng)地面積

由上面兩問(wèn)的解題研究過(guò)程得知：扭王字塊預(yù)制場(chǎng)地最小面積為其體高為邊的矩形的外切圓面積；扭王字塊堆放場(chǎng)地最小面積為其體高為邊的矩形的內(nèi)切圓面積，且兩者剛好是2 倍的關(guān)系。

6 陸上起重機(jī)安裝扭王字塊所需時(shí)間

陸上履帶式起重機(jī)安裝扭王字塊是目前比較常見(jiàn)的一種施工工藝，其工藝特點(diǎn)是起重機(jī)站立在防波堤堤頂上，扭王字塊已經(jīng)運(yùn)至起重器的起重半徑范圍內(nèi)，進(jìn)行吊裝作業(yè)。

以青島董家口港區(qū)某防波堤工程采用80t 履帶式起重機(jī)定點(diǎn)隨機(jī)逐塊安放10t 扭王字塊為例，按照現(xiàn)場(chǎng)寫實(shí)法記錄從起吊到安裝完畢每個(gè)動(dòng)作所需的時(shí)間。

80t 履帶吊每安裝一塊10t 扭王字塊時(shí)間為準(zhǔn)備及掛鉤1min，起吊1min、轉(zhuǎn)動(dòng)吊臂1min、GPS 定位1min、脫鉤2min，共計(jì)1+1+1+1+2=6min。

如上所述，因?qū)嶋H施工中會(huì)遇到各種不確定因素，理論計(jì)算時(shí)需要考慮1.2～1.5 倍的不平衡系數(shù)，則安裝一塊10t 扭王字塊體需要時(shí)間為：

其他型號(hào)扭王字塊的安裝時(shí)間測(cè)定均依據(jù)寫實(shí)法，不再贅述，本文將港口工程常用的扭王字塊，按體積大小分為3個(gè)區(qū)間分別給出安裝所需時(shí)間參考值（見(jiàn)表2），實(shí)際運(yùn)用時(shí)可參考使用。

表2 扭王字塊施工參數(shù)表

7 結(jié)語(yǔ)

扭王字塊作為水運(yùn)工程運(yùn)用量巨大的預(yù)制構(gòu)件，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)程中發(fā)揮了重要的作用。綜上通過(guò)追溯其來(lái)歷，探討其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，施工特性等內(nèi)容，透過(guò)現(xiàn)象直達(dá)本質(zhì)，找出客觀規(guī)律，便于給類似工程項(xiàng)目提供參考，以上參數(shù)已在中國(guó)援加納漁港綜合設(shè)施項(xiàng)目上得到實(shí)踐，證實(shí)了其有效性。文末已將上述相關(guān)參數(shù)歸納總結(jié)成表，便于快速查閱使用。