论文部分内容阅读
摘 要：水工工程中靠船桩簇经受许多外力作用，其中包括各种桥面荷载和动荷载，如何巧妙地使用正确的方法和守恒原理将桩簇的内力进行计算变得尤为重要，本文通过实际案例现场勘查测得数据资料，基于位移协调、力的平衡和能量守恒原理，通过在水平桩NL法计算中引入桩侧土抗力群桩折减系数，采用Lagrange插值多项式拟合护舷厂家的反力、吸能与变形的关系曲线，对柔性靠船桩簇中钢桩和护舷间水平力、能量分配进行计算分析，对于水工工程相关专业的研究人员和实际工作人员均具有很强的参考价值。
关键词：水工工程；靠船桩簇；技术研究
中图分类号：U653 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0264-02
引 言
近年来，我国的港口工程发展迅速，靠船桩簇是实际应用中最广泛的水平承载群桩结构，它所承受的内力错综复杂，设计和施工人员往往会在此问题上困扰，且目前解决办法缺乏统一性，整体行业处于无规则约束状态，本文以实际码头为案例，介绍了经受的荷载情况，并对计算靠船桩簇设计中内力的计算方法进行了探讨，最终得出了一套实用的计算理论。
1 项目概况
某水上执法机构靠泊码头建造工作趸船、靠船桩簇、引桥等。工作趸船尺度46.5×12×2.0×0.9m，，靠船桩簇3×3×3m，栈桥15.22×2.5m，工艺荷载中恒载为结构自重；人群荷载：①码头面荷载：q=5.32kN/m2；②栈桥面荷载：q=3.55kN/m2；流动机械荷载：栈桥面不考虑流动机械荷载。地震基本烈度：根据2015年颁布的规范《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）对东莞地区的数据显示，东莞市沙田镇的抗震设防烈度是Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.10g，反应谱特征周期为0.35s。
2 荷载组合
2.1 承载能力极限状态下的持久效应组合
组合一：恒载+码头均布荷载+系缆力；
组合二：恒载+码头均布荷载+撞击力；
组合三：恒载+码头均布荷载+挤靠力；
组合三：恒载+流动机械荷载+均载+系缆力；
组合四：恒载+流动机械荷载+均载+撞击力。
2.2 正常使用极限状态下持久状态的长期效应（准永久）组合
组合一：恒载+码头均布荷载+系缆力；
组合二：恒载+码头均布荷载+撞击力；
组合三：恒载+码头均布荷载+挤靠力；
组合三：恒载+流动机械荷载+均载+系缆力；
组合四：恒载+流动机械荷载+均载+撞击力。
2.3 承载能力极限状态下的地震效应组合
组合一：恒载+码头均布荷载+系缆力+地震荷载；
组合二：恒载+码头均布荷载+撞击力+地震荷载。
2.4 承载能力极限状态下的短暂效应组合
组合：恒载+施工荷载。
3 水文地质条件
3.1 设计水位（珠江基面）
以下设计水位从当地理论最低潮面起算：
设计高水位（高潮10%）：3.24m；
设计低水位（低潮90%）：0.53m；
极端高水位（50年一遇）：4.32m；
极端低水位（50年一遇）：-0.18m。
3.2 设计波浪
本项目位于虎门以内河段，50年一遇设计波要素H1%小于1.5m。
3.3 海 流
在发生特大洪水时海流的水流速度最大会达到1.0m/s上下，在旱季时期或枯水期海流的断面流动速度最大可达到0.8m/s上下，海流的平均流速在0.5m/s上下。
3.4 地质条件
对当地的现状做了实地勘探，勘探数据经过分析处理后，根据现场挖孔、钻孔过程中的土质分析，工作人员将当地的岩石土层共分为四层，第一类是人工挖土，代号为Qml，第二类是海洋陆地相互沉积产生的岩层，代号为Q4mc，第三类是经过上千年的风力侵蚀产生的岩层，代号为Qel，第四类是红褐色的沉积岩層，时间为白垩纪，代号为K2。
（1）人工填土（Q4ml，层号1）
素填土（层号①）
该层仅在陆域钻孔ZK13中分布，层顶高程5.00m，层顶埋深0.00m，厚度5.90m。土性为素填土，由砂性土含碎石筑填，混凝土共1m位于上部结构，素填土没有经过压实，因此整体结构较差，无法承受上部高密度的荷载，且会出现流动性较强的问题，土质问题严重，如果需要在水工工程中使用，则应采取换填土的方法更新土质。
（2）第四系海陆交互相沉积（Q4mc，层号2）
第四系海陆交互相沉积根据土质物理性质不同分为两个土层：
淤泥、淤泥质土（层号②1）
场地内所有钻孔均有分布，层顶高程-11.40～-6.50m，层顶埋深7.30～15.90m，厚度0.70～4.70m，平均厚度2.07m。土层颜色为灰黄色，土质较为优质，整体粘聚性能强。标贯试验10次，实测击数N′=7～11击，修正击数N=4.7～8.1击，平均6.7击，标准值6.2击。
（3）风化残积层（Q4el，层号3）
整个场地11个钻孔中有分布，土性为泥质粉砂岩风化而成的粉质粘土。
粉质粘土（层号③）
粉质粘土的层顶高程-12.60～-10.10m，粉质粘土的层顶埋深10.20～15.50m，粉质粘土的厚度0.80～4.30m，粉质粘土的平均厚度1.84m。
（4）白垩系红色碎屑沉积岩（K2，层号4）
白垩系红色碎屑沉积岩的岩石底部基础是沉积岩组成，岩石结构较为细小，呈分层结构显示，其中泥质粉砂岩较为多，风华程度较为严重，整体土质松散。 强风化泥质粉砂质岩（层号④1）
强风化泥质粉砂质岩在勘查过程中钻孔的分布具有较大面积，层顶标高-16.95～-11.20m，层顶埋深11.30～18.40m，厚度0.80～9.00m，平均3.38m。
中风化泥质粉砂岩、粗砂岩（层号④2）
场地内所有的钻孔均有分布，层顶高程-25.6～-13.14m，层顶埋深12.70～25.40m，揭露厚度2.97～13.00m，平均7.13m。局部泥质粉砂岩与粗砂岩互层，粉砂质结构、粗粒结构，中～厚层状构造。
4 结构计算
4.1 系船柱结构计算
辖区管理船舶系缆力根据规范公式计算，考虑风和水流共同作用，按9级风时船舶离开码头，风速V=22m/s，码头水流流速按1.0m/s计。
系缆力按《港口工程荷载规范》规范其计算公式为：
系缆力计算结果见表1。
船舶有效撞击能量按下式计算：
研究船舶-结构碰撞外部机理主要有三种途径：解析法、数值解法和物理模拟方法。解析法是根据一般刚体动力学中的动量守恒定理求出碰撞过程中的动能损失的一种方法，其具有代表性的是Minorsky理论。数值解法则是运用简化的非线性有限元进行的船舶与结构的碰撞分析方法，其中Pedersen方法最具代表性。物理模拟方法是通过建立物理模型来分析船舶与结构碰撞的方法。工作趸船通过柔性定位靠船桩与趸船抛锚相结合的系留方式固定，且兼靠20m级监督船两艘，故趸船系船力需考虑此种情况计算最大拉力。
系船柱满足规范要求。
4.2 橡胶护舷结构计算
船舶靠岸时的撞击力标准值根据船舶有效撞击能量和橡胶护舷性能曲线及靠船结构的刚度确定。当船舶作用于第二、第三和第四層钢联系梁处时，可得出与船舶作用于第一层钢联系梁处时相类似的结论，只是船舶撞击不同层钢联系梁时水平位移与船舶撞击力的关系式，定位墩结构吸能量与船舶撞击力的关系式以及船舶船舶撞击力与船舶有效撞击能量的关系式有所变化。
船舶有效撞击能量按下式计算：
船舶靠岸撞击力计算结构见表2。
船舶撞击能量标准值为19.8kJ，选用D型300H×1500L橡胶护舷，反力适中，安装、更换方便。
4.3 靠船簇桩结构计算
（1）簇桩结构简单，主要承受船舶荷载，其结构控制荷载为工作趸船船舶力。采用MIDAS有限元软件对结构进行空间有限元计算。
（2）云图模型计算结果如图1所示。
（3）计算结果（见表3所示）。
满足要求。
5 总 结
本文在经过对荷载分析、传统方法总结经验的基础上，提出了新的计算水工工程靠船桩簇内力的方法，对其它方法做了总结，实际工程应用中每个方法各有优劣，应按照不同的工程背景和施工条件选择。
参考文献
[1]胡雄飞，张 帆，崔高领.煤灰渣出运码头柔性靠船桩簇设计[J].中国水运，2018（10）：59～61.
[2]周远方，陈 新.某煤码头升级改造方案优化设计[J].水运工程，2018（02）：69～73.
[3]齐同钦，陈 新，王留洋.柔性靠船桩簇结构受力计算[J].水运工程，2015（08）：17～20.
收稿日期：2018-11-4
作者简介：余 学（1973-），男，工程师，本科，主要从事水工工程设计和施工工作。
关键词：水工工程；靠船桩簇；技术研究
中图分类号：U653 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0264-02
引 言
近年来，我国的港口工程发展迅速，靠船桩簇是实际应用中最广泛的水平承载群桩结构，它所承受的内力错综复杂，设计和施工人员往往会在此问题上困扰，且目前解决办法缺乏统一性，整体行业处于无规则约束状态，本文以实际码头为案例，介绍了经受的荷载情况，并对计算靠船桩簇设计中内力的计算方法进行了探讨，最终得出了一套实用的计算理论。
1 项目概况
某水上执法机构靠泊码头建造工作趸船、靠船桩簇、引桥等。工作趸船尺度46.5×12×2.0×0.9m，，靠船桩簇3×3×3m，栈桥15.22×2.5m，工艺荷载中恒载为结构自重；人群荷载：①码头面荷载：q=5.32kN/m2；②栈桥面荷载：q=3.55kN/m2；流动机械荷载：栈桥面不考虑流动机械荷载。地震基本烈度：根据2015年颁布的规范《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）对东莞地区的数据显示，东莞市沙田镇的抗震设防烈度是Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.10g，反应谱特征周期为0.35s。
2 荷载组合
2.1 承载能力极限状态下的持久效应组合
组合一：恒载+码头均布荷载+系缆力；
组合二：恒载+码头均布荷载+撞击力；
组合三：恒载+码头均布荷载+挤靠力；
组合三：恒载+流动机械荷载+均载+系缆力；
组合四：恒载+流动机械荷载+均载+撞击力。
2.2 正常使用极限状态下持久状态的长期效应（准永久）组合
组合一：恒载+码头均布荷载+系缆力；
组合二：恒载+码头均布荷载+撞击力；
组合三：恒载+码头均布荷载+挤靠力；
组合三：恒载+流动机械荷载+均载+系缆力；
组合四：恒载+流动机械荷载+均载+撞击力。
2.3 承载能力极限状态下的地震效应组合
组合一：恒载+码头均布荷载+系缆力+地震荷载；
组合二：恒载+码头均布荷载+撞击力+地震荷载。
2.4 承载能力极限状态下的短暂效应组合
组合：恒载+施工荷载。
3 水文地质条件
3.1 设计水位（珠江基面）
以下设计水位从当地理论最低潮面起算：
设计高水位（高潮10%）：3.24m；
设计低水位（低潮90%）：0.53m；
极端高水位（50年一遇）：4.32m；
极端低水位（50年一遇）：-0.18m。
3.2 设计波浪
本项目位于虎门以内河段，50年一遇设计波要素H1%小于1.5m。
3.3 海 流
在发生特大洪水时海流的水流速度最大会达到1.0m/s上下，在旱季时期或枯水期海流的断面流动速度最大可达到0.8m/s上下，海流的平均流速在0.5m/s上下。
3.4 地质条件
对当地的现状做了实地勘探，勘探数据经过分析处理后，根据现场挖孔、钻孔过程中的土质分析，工作人员将当地的岩石土层共分为四层，第一类是人工挖土，代号为Qml，第二类是海洋陆地相互沉积产生的岩层，代号为Q4mc，第三类是经过上千年的风力侵蚀产生的岩层，代号为Qel，第四类是红褐色的沉积岩層，时间为白垩纪，代号为K2。
（1）人工填土（Q4ml，层号1）
素填土（层号①）
该层仅在陆域钻孔ZK13中分布，层顶高程5.00m，层顶埋深0.00m，厚度5.90m。土性为素填土，由砂性土含碎石筑填，混凝土共1m位于上部结构，素填土没有经过压实，因此整体结构较差，无法承受上部高密度的荷载，且会出现流动性较强的问题，土质问题严重，如果需要在水工工程中使用，则应采取换填土的方法更新土质。
（2）第四系海陆交互相沉积（Q4mc，层号2）
第四系海陆交互相沉积根据土质物理性质不同分为两个土层：
淤泥、淤泥质土（层号②1）
场地内所有钻孔均有分布，层顶高程-11.40～-6.50m，层顶埋深7.30～15.90m，厚度0.70～4.70m，平均厚度2.07m。土层颜色为灰黄色，土质较为优质，整体粘聚性能强。标贯试验10次，实测击数N′=7～11击，修正击数N=4.7～8.1击，平均6.7击，标准值6.2击。
（3）风化残积层（Q4el，层号3）
整个场地11个钻孔中有分布，土性为泥质粉砂岩风化而成的粉质粘土。
粉质粘土（层号③）
粉质粘土的层顶高程-12.60～-10.10m，粉质粘土的层顶埋深10.20～15.50m，粉质粘土的厚度0.80～4.30m，粉质粘土的平均厚度1.84m。
（4）白垩系红色碎屑沉积岩（K2，层号4）
白垩系红色碎屑沉积岩的岩石底部基础是沉积岩组成，岩石结构较为细小，呈分层结构显示，其中泥质粉砂岩较为多，风华程度较为严重，整体土质松散。 强风化泥质粉砂质岩（层号④1）
强风化泥质粉砂质岩在勘查过程中钻孔的分布具有较大面积，层顶标高-16.95～-11.20m，层顶埋深11.30～18.40m，厚度0.80～9.00m，平均3.38m。
中风化泥质粉砂岩、粗砂岩（层号④2）
场地内所有的钻孔均有分布，层顶高程-25.6～-13.14m，层顶埋深12.70～25.40m，揭露厚度2.97～13.00m，平均7.13m。局部泥质粉砂岩与粗砂岩互层，粉砂质结构、粗粒结构，中～厚层状构造。
4 结构计算
4.1 系船柱结构计算
辖区管理船舶系缆力根据规范公式计算，考虑风和水流共同作用，按9级风时船舶离开码头，风速V=22m/s，码头水流流速按1.0m/s计。
系缆力按《港口工程荷载规范》规范其计算公式为：
系缆力计算结果见表1。
船舶有效撞击能量按下式计算：
研究船舶-结构碰撞外部机理主要有三种途径：解析法、数值解法和物理模拟方法。解析法是根据一般刚体动力学中的动量守恒定理求出碰撞过程中的动能损失的一种方法，其具有代表性的是Minorsky理论。数值解法则是运用简化的非线性有限元进行的船舶与结构的碰撞分析方法，其中Pedersen方法最具代表性。物理模拟方法是通过建立物理模型来分析船舶与结构碰撞的方法。工作趸船通过柔性定位靠船桩与趸船抛锚相结合的系留方式固定，且兼靠20m级监督船两艘，故趸船系船力需考虑此种情况计算最大拉力。
系船柱满足规范要求。
4.2 橡胶护舷结构计算
船舶靠岸时的撞击力标准值根据船舶有效撞击能量和橡胶护舷性能曲线及靠船结构的刚度确定。当船舶作用于第二、第三和第四層钢联系梁处时，可得出与船舶作用于第一层钢联系梁处时相类似的结论，只是船舶撞击不同层钢联系梁时水平位移与船舶撞击力的关系式，定位墩结构吸能量与船舶撞击力的关系式以及船舶船舶撞击力与船舶有效撞击能量的关系式有所变化。
船舶有效撞击能量按下式计算：
船舶靠岸撞击力计算结构见表2。
船舶撞击能量标准值为19.8kJ，选用D型300H×1500L橡胶护舷，反力适中，安装、更换方便。
4.3 靠船簇桩结构计算
（1）簇桩结构简单，主要承受船舶荷载，其结构控制荷载为工作趸船船舶力。采用MIDAS有限元软件对结构进行空间有限元计算。
（2）云图模型计算结果如图1所示。
（3）计算结果（见表3所示）。
满足要求。
5 总 结
本文在经过对荷载分析、传统方法总结经验的基础上，提出了新的计算水工工程靠船桩簇内力的方法，对其它方法做了总结，实际工程应用中每个方法各有优劣，应按照不同的工程背景和施工条件选择。
参考文献
[1]胡雄飞，张 帆，崔高领.煤灰渣出运码头柔性靠船桩簇设计[J].中国水运，2018（10）：59～61.
[2]周远方，陈 新.某煤码头升级改造方案优化设计[J].水运工程，2018（02）：69～73.
[3]齐同钦，陈 新，王留洋.柔性靠船桩簇结构受力计算[J].水运工程，2015（08）：17～20.
收稿日期：2018-11-4
作者简介：余 学（1973-），男，工程师，本科，主要从事水工工程设计和施工工作。