詹坤豫 高迎歆

摘 要：以某開敞式海域地名標(biāo)志項(xiàng)目為依托，通過計(jì)算分析在外海經(jīng)受強(qiáng)風(fēng)浪的水工建筑物的結(jié)構(gòu)選型。

關(guān)鍵詞：開敞式 強(qiáng)風(fēng)浪 地名標(biāo)志

1.引言

傳統(tǒng)水工建筑物的建設(shè)應(yīng)盡量選擇在自然條件良好的區(qū)域。此區(qū)域是天然形成，亦或者是通過工程改造，如建設(shè)防波堤等方式，使風(fēng)浪條件能夠達(dá)到滿足水工建筑物正常使用的水平。然而，對于一些建設(shè)于遠(yuǎn)離大陸的外海區(qū)域的建筑物，由于施工難度，施工成本等因素的影響，想通過防波堤等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)改善風(fēng)浪條件的方式不管從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都有較大難度。因此，只能通過水工建筑物本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來抗衡不利風(fēng)浪條件的影響。下面，將某開敞式海域地名標(biāo)志項(xiàng)目為載體，通過計(jì)算分析選擇在極端風(fēng)浪條件下保持穩(wěn)定的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

2.項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為在某開敞式海域建造一座地名標(biāo)識工程，建筑物的結(jié)構(gòu)安全等級為Ⅱ級，設(shè)計(jì)使用期為30年。

3.自然條件

（1）風(fēng)

項(xiàng)目所處海域熱帶海洋性季風(fēng)氣候非常明顯。每年10月以后，從西伯利亞和內(nèi)蒙高原吹來的冬季氣流不斷奔向中國南方海洋，所以此海域及諸島每年11月至次年3月盛行東風(fēng)季風(fēng)，平均風(fēng)力5到6級，超過7級大風(fēng)頻率達(dá)到5%。每年4月開始，此海域及諸島轉(zhuǎn)而受熱帶與赤道海洋氣團(tuán)的影響，5月至9月盛行西南季風(fēng)，平均風(fēng)力4到5級，除受臺風(fēng)影響的時(shí)候，海面相對平靜。7月到11月臺風(fēng)最為強(qiáng)烈，這些臺風(fēng)七成來自菲律賓以東的西太平洋面和加羅林群島附近洋面，破壞力巨大，俗稱“土臺風(fēng)”。

西太平洋形成的臺風(fēng)走向較為規(guī)律，“土臺風(fēng)”則變化多端，難于預(yù)測，往往從生成到登陸的時(shí)間極短，防臺難度較大。此海域上生成的土臺風(fēng)有15%能夠加強(qiáng)為臺風(fēng)，瞬時(shí)風(fēng)力可以達(dá)到11到12級風(fēng)。

此海域的霧每年在北部沿海出現(xiàn)最早，始于頭年12月，12月至4月為霧季，2月至3月霧最多。

（2）設(shè)計(jì)水位

本工程有關(guān)的設(shè)計(jì)水位（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖┤缦拢?/p>

設(shè)計(jì)高水位：1.75m

設(shè)計(jì)低水位：0.23m

極端高水位：2.52m

極端低水位：-0.26m

（3）波浪

本項(xiàng)目波浪要素采用項(xiàng)目所在地的水深對應(yīng)的極限波高、波長和波周期：波高11.85m，波長135.5m，周期12.0s，并以此波浪條件作為波浪力的計(jì)算參數(shù)。

（4）工程地質(zhì)

本次勘察已查明在勘探深度范圍內(nèi)，根據(jù)地層巖性特征從上而下劃分為①珊瑚礁碎石共1個(gè)工程地質(zhì)層。如下：

①珊瑚礁碎石（Q4m）：灰色、灰白色，飽和，松散-稍密，主要由珊瑚碎石塊及塊石組成，夾雜大量粉、細(xì)砂粒及貝殼，顆粒形狀不規(guī)則，大小不均勻，多孔易碎，分選性差。層頂標(biāo)高12.60～12.80m，平均值12.70m；層厚25.10～26.30m，受孔深限制，該層未揭穿。

4.結(jié)構(gòu)選型思路

項(xiàng)目所處位置屬于強(qiáng)風(fēng)浪外海區(qū)域，沒有任何掩護(hù)，考慮采用傳統(tǒng)的高樁墩臺結(jié)構(gòu)或者重力式結(jié)構(gòu)。

初步考慮高樁墩臺結(jié)構(gòu)方案，擬采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁頂安裝預(yù)制混凝土墩臺。采用直徑為1.6m，樁長為38.2m的樁基，樁頂與預(yù)制混凝土墩臺固接的結(jié)構(gòu)型式，經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)在極端工況下可滿足抗彎抗拔的受力要求，因此，此方案在技術(shù)上可行的。然而項(xiàng)目所在地處外海區(qū)域，施工作業(yè)條件惡劣，普通鉆孔設(shè)備無法滿足作業(yè)要求，需采用深海鉆探石油的大型鉆孔設(shè)備，基于施工單位現(xiàn)有船機(jī)配置無法滿足這一施工要求，此方案未能得到業(yè)主及施工單位的認(rèn)可，需考慮其他可行方案。

根據(jù)現(xiàn)有施工資源，對重力式結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行重點(diǎn)分析，如下圖所示，本項(xiàng)目擬采用此斷面結(jié)構(gòu)，為重力式墩柱結(jié)構(gòu)。墩臺直徑2.7m，厚度1.5m，鋼筋混凝土（C40）結(jié)構(gòu)。圓柱為？1800mm，高17.30m鋼護(hù)筒混凝土立柱，鋼護(hù)筒壁厚14mm，材質(zhì)為 Q235B，下部嵌入基座?；鶠?0m直徑圓形的外切六邊形，基座高度為2m，正六邊形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底座開六個(gè)直徑為1.9m的圓孔。底座上部疊放4層11m直徑圓形的外切六邊形的混凝土壓載塊體，高度為2m，每層壓載塊開六個(gè)直徑為1.9m的圓孔。安裝底座前先拋填塊石基床，拋石基床頂標(biāo)高-14.80m，基床厚度根據(jù)現(xiàn)場情況確定。壓載塊體安裝完畢后向各個(gè)預(yù)留圓孔插入工字鋼，并往孔內(nèi)灌澆水下混凝土。墩臺外圍設(shè)置1.05m高的不銹鋼欄桿。標(biāo)識結(jié)構(gòu)由碑體和基座組成。碑體平面尺度長2.012m，高1.024m，厚度為0.3m，碑體為天然花崗巖結(jié)構(gòu)。之所以考慮此結(jié)構(gòu)形式，源于結(jié)構(gòu)主要受波浪力作用，柱型結(jié)構(gòu)受力相對合理，結(jié)構(gòu)所受波浪力主要與立柱的尺寸相關(guān)，直徑越小所受波浪力越小，但是結(jié)構(gòu)自身的自重就越小，由此產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩相應(yīng)減小。因此，就需要通過計(jì)算分析，確定立柱尺寸，使所受波浪力與機(jī)構(gòu)自重達(dá)到平衡，極限風(fēng)浪工況下依然能夠保持整體穩(wěn)定。下面，將對計(jì)算的過程進(jìn)行闡述。

5.結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》（JTS145-2015）10.3.2.1，H/d<0.2且d/L》0.2或H/d>0.2且H/d》0.35時(shí)，整個(gè)柱體高度上的最大速度分力PDmax和最大慣性分力Ptmax可按下列公式計(jì)算：

PDmax和PImax對斷面的力矩MDmax和MImax分別按下列公式計(jì)算：

MImax—作用于柱體計(jì)算高度上的最大慣性力矩（kN·m）；

結(jié)合《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS167-2-2009）2.5章節(jié)內(nèi)容，對結(jié)構(gòu)在極端風(fēng)浪條件下進(jìn)行抗傾抗劃穩(wěn)定性計(jì)算以及地基承載力驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如表2、表3。

經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)滿足在極端風(fēng)浪條件作用下的保持穩(wěn)定的要求。

6.結(jié)語

（1）本工程采用重力式墩柱結(jié)構(gòu)滿足當(dāng)?shù)貥O端風(fēng)浪條件下的受力要求，同時(shí)主體結(jié)構(gòu)采用預(yù)制的型式，現(xiàn)有船機(jī)設(shè)備滿足對預(yù)制構(gòu)件的起吊工作要求，現(xiàn)場現(xiàn)澆混凝土量較小，從而很好地降低了現(xiàn)場施工的難度。

（2）在各層混凝土塊安裝疊放完畢后將工字鋼插入預(yù)留孔洞，并灌入水下混凝土，從而達(dá)到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性的作用。

（3）此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足之處在于現(xiàn)場拋石量較大，在遠(yuǎn)離石料料場的外海區(qū)域，需要更多的運(yùn)輸設(shè)備，運(yùn)輸距離也較大，大幅度拉高了項(xiàng)目的成本造價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

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