封仓盖板对圆沉箱内力的影响分析

邹艳春，王炜正

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071）

封仓盖板对圆沉箱内力的影响分析

邹艳春，王炜正

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071）

文章采用空间有限元分析方法，在不同的外荷载下，针对不同的封仓盖板条件，对圆沉箱的内力进行对比，综合分析封仓盖板对沉箱各部位内力的影响，为圆沉箱的设计优化提供借鉴。

有限元分析；圆沉箱；盖板；沉箱内力

圆沉箱结构广泛应用于外海大型墩式码头中，其所承受的外力条件较为复杂，为了增强结构的整体稳定性，通常在顶部设置一定厚度的钢筋混凝土封仓盖板［1］。现行规范［2］对沉箱在不同构造条件下（有/无盖板，不同盖板厚度等）的受力模式未作明确建议，实践中通常不考虑封仓盖板对沉箱结构受力的影响。

本文以“十”字形隔墙圆沉箱为例，在不同外荷载条件下，针对不同的封仓盖板条件，采用有限元方法［3］对沉箱结构内力进行计算，对比分析封仓盖板对沉箱各部位内力的影响，为圆沉箱的设计优化提供借鉴。

1 沉箱结构基本信息

1.1沉箱尺寸及划分

本文采用某LNG码头圆沉箱结构尺寸，直径15.0 m，高19.2 m，底板厚1.0 m，外壁厚0.45 m，“十”字形隔墙厚0.25 m，外趾长1.5 m。对沉箱作如下划分：（1）上部：沉箱顶部加宽范围内（3.15 m）；（2）中部：上部和下部之间的所有范围；（3）下部：底板至底板以上1.5倍内隔墙间距范围内（底板以上12 m范围内）。本文所列数据均为极端高水位6.025 m工况下计算结果。

1.2模型及约束

本文采用Robot有限元软件［4］对沉箱内力进行分析计算。沉箱采用整体模型建模［4］。底板、外趾、外壁及隔墙均采用板壳单元进行模拟，除底板在圆心处采用三角形单元外，其余均采用四边形单元，各部位之间为固结连接。封仓盖板嵌入沉箱内0.5 m，与沉箱按固结连接考虑。底板和外趾平面x、y方向设位移约束，z方向设弹性支撑约束［5］。模型单元划分详见图1。

1.3沉箱承受的主要外力

本文中沉箱承受的主要外力如下：

（1）竖向荷载：自重、上部荷载等。竖向荷载换算成线荷载施加到沉箱外壁和隔墙上。线荷载的大小=（竖直力的大小*侧壁或隔墙厚度）/侧壁或隔墙顶部截面面积。（2）贮仓压力（内填开山石）。贮仓压力沿沉箱内壁采用面荷载的形式施加。（3）横向荷载：波浪力、船舶撞击力、船舶系缆力等。

波浪力大小根据规范公式计算［6］，采用面荷载的形式施加；由于波浪相位的不同，侧向波浪力大小在沉箱圆周及高度方向均不相同［7］，浮托力按均载施加在沉箱底部。船舶撞击力和系缆力产生的横向水平力和力矩折算到沉箱顶部，换算成线荷载施加到沉箱外壁和隔墙上。横向水平力换算后线荷载的大小=（水平力的大小*侧壁或隔墙厚度）/侧壁或隔墙顶部截面面积。横向力矩换算后线荷载的大小=（力矩的大小*侧壁或隔墙厚度*作用点位置离沉箱中心的距离）/侧壁或隔墙顶部截面惯性矩。

图1圆沉箱模型单元的划分Fig.1Unit division of cylindrical caisson model

2 有/无封仓盖板条件沉箱内力分析

为使分析更具针对性，针对有/无封仓盖板条件，分别对沉箱各部位在不同外力类型作用下的受力进行列表对比（盖板厚度为0.5 m，弯矩单位为kN·m/m，剪力、轴力的单位为kN，外力计算等略）。

2.1竖向荷载作用

竖向荷载作用下，仅因上部竖向荷载在有/无盖板条件下的力传导路径不同，封仓盖板对隔墙上部轴力有一定影响，对沉箱其他部位的影响均不明显（表1仅列出隔墙轴力结果，其他结果略）。

2.2贮仓压力作用

贮仓压力作用下，沉箱底板内力较大，外壁及隔墙内力沿高度变化分布，弯矩较小。

封仓盖板对沉箱底板内力影响较大，相较无盖板条件下，底板内力降低达30%～90%，详见表2；封仓盖板对其他部位内力无明显影响。

2.3横向荷载作用

本文主要考虑波浪力和船舶撞击力二种横向荷载作用。从计算结果分析可知，在封仓盖板对沉箱外壁的约束下，沉箱外壁的内力分布产生一定变化，特别是沉箱外壁中上部弯矩、竖向轴力均有较大幅度的减小，对其他部位的影响不明显（表3～表4）。

3 不同厚度盖板对沉箱内力影响

从上述计算分析可知，封仓盖板对沉箱各部位的内力均有不同程度的影响，为了进一步验证不同盖板厚度对沉箱内力的影响，本文选取贮仓压力和波浪力作用工况，针对0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m五种盖板厚度，进行对比计算分析。

在贮仓压力作用下，盖板厚度的变化对沉箱内力的影响不明显（结果略）。

图2竖向荷载Fig.2Vertical load

图3贮仓压力Fig.3Barn pressure

图4波浪力Fig.4Wave force

图5撞击力及系缆力Fig.5Berthing force&mooring force

表1竖向荷载作用下沉箱隔墙轴力Tab.1 Axial force of partition wall under vertical load

表2贮仓压力作用下底板弯矩和剪力Tab.2Bending moment and shear force of bottom plate under barn pressure

表3波浪力作用下外壁弯矩和轴力Tab.3Bending moment and axial force of outer wall under wave force

表4船舶撞击力作用下外壁弯矩和轴力Tab.4Bending moment and axial force of outer wall under berthing force

在波浪力作用下，外壁和隔墙中、上部弯矩随盖板厚度的增加呈减小趋势，厚度大于1.5 m时，其影响呈减少趋势（图6～图7）。

图6外壁内力结果比较图Fig.6Comparison of outer wall internal force

图7隔墙内力结果比较图Fig.7Comparison of partition wall internal force

4 结语

（1）封仓盖板对沉箱各部位的内力影响明显，沉箱内力总体呈下降趋势，因此，设计中应考虑封仓盖板的作用。（2）设置封仓盖板后，贮仓压力对圆沉箱底板的作用降低较为明显，在设计中可适当降低沉箱内填料的要求或对底板进行适当优化。（3）设置封仓盖板后，虽然沉箱上部外壁的内力有不同程度的下降，但综合考虑该部位所处条件及所受的外部荷载较为复杂，在工程实践中，仍需对沉箱外壁上部做适当加厚处理。（4）封仓盖板厚度变化，对沉箱内力有一定影响，整体呈负相关，但从变化趋势分析，在盖板厚度超过1.5 m后，其影响渐趋减弱。（5）设置封仓盖板后，沉箱顶部与盖板衔接处受力较为复杂，设计中应作适当加强。

［1］交通部第一航务工程勘察设计院.海港工程设计手册:中册［M］.北京：人民交通出版社，1998.

［2］JTS 167-2-2009，重力式码头设计与施工规范［S］.

［3］王勖成.有限单元法［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［4］方爱东,陈际丰,刘国宝.有隔墙大型圆沉箱内力计算方法探讨［J］.水运工程，2006（10）：220-224. FANG A D,CHEN J F,LIU G B.Internal force calculation for large cylindrical caissons with partition wall［J］.Port&Waterway Engineering,2006（10）：220-224.

［5］乔友刚,孙承福,苏丽娟.沉箱结构的有限元分析［J］.港工技术，2009（2）：20-23,26. QIAO Y G,SUN C F,SU L J.Finite element analysis of caisson structure［J］.Port Engineering Technology,2009（2）：20-23,26.

［6］JTS145-2-2013，海港水文规范［S］.

［7］张政生.仓顶均载及非单一填料贮仓压力计算方法［J］.水运工程，2007（3）：53-55. ZHANG Z S.Computing method for barn pressure caused by uniform load and different materials［J］.Port&Waterway Engineering, 2007（3）：53-55.

Analysis of influence of hatch cover on cylindrical caissons′internal force

ZOU Yan⁃chun，WANG Wei⁃zheng
（CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China）

With finite element analysis method,under the different loads,according to different conditions of the hatch cover,the internal force calculating results of the cylindrical caissons were compared in this paper,and the influence of hatch cover plated on each part of the caisson was analyzed.The results may serve as a reference for the optimization design of circular caisson.

finite element analysis;cylindrical caisson;hatch cover;caisson internal force

TV312

A

1005-8443（2015）04-0359-03

2015-05-27；

2015-06-12

邹艳春（1976-），女，江西省南昌市人，高级工程师，主要从事港口及航道工程设计研究。

Biography：ZOU Yan⁃chun(1976-),female,senior engineer.