桶式结构设计方法

李　武，程泽坤

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）



桶式结构设计方法

李武，程泽坤

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

桶式结构是一种新型水工结构，没有相应的设计方法。针对桶式结构特性，进行系统研究，并提出桶式结构形式和主尺度估算方法、稳定性和承载力的验算方法、沉降验算方法、结构强度验算方法，归纳桶式结构设计技术规定等主要设计方法，为新结构在工程中推广应用提供技术支撑。

桶式结构；设计方法；稳定性

0　引言

随着我国水运事业的快速发展，港口建设面向较为复杂的海洋环境，风浪、潮流、软土地基、建材供应等条件都要求开发研制适合上述条件的新型结构形式，能够降低工程造价、提高施工速度、保护环境，许多专家工程技术人员在新型水工结构中寻求解决办法。

桶式结构作为一种新型水下基础结构被提出并应用于水运工程[1-2]。该新型桶式结构具有以下优势：

1）桶式结构可在预制场内标准化流水线生产，陆域运输采用台车工艺，水上长途运输采用半潜驳，靠排气排水下沉安装，对海洋生态环境影响小。

2）桶式结构工程造价低，安装速度快，原材料用量少，符合国家“十二五”港口建设发展规划节约资源的要求。

3）对于在软土地基上的防波堤、驳岸、围堤、人工岛、码头结构等工程领域，尤其是深水区域有广阔的应用前景。

4）该结构还可应用在外海筑岛的护岸、近海风电、近海石油平台等工程的软土地基、黏土地基及砂土地基中，也可以推广到软土地基上建造高速公路和铁路工程中。

在技术经济方面具有优势，但尚有许多技术难题需要进一步解决。因此，本文研究桶式结构的设计方法，为工程应用提供技术支撑。

1　结构形式和主尺度估算方法

1.1结构形式

桶式结构可解决软土地基承载力低的问题，其结构形式的选择与结构空间尺度、地质条件及施工条件等密切相关。桶式结构是采用空间壳体结构将软土封闭在内，与结构共同形成传力介质，来提高地基承载力。但是空间壳体结构受力性能较好的一般采用曲面和平面组合围成异形空间。考虑施工方便结构外形宜采用圆柱面和平面组成，但是平面尺度不宜过大，一般取6～8 m。桶式结构还需浮运，需要通过划分隔仓增加浮运稳定性。根据统计经验，每个方向最少要布置2个隔仓，一般每个方向布置3～4个隔仓较为经济。

1.1.1单桶多隔仓形式

单桶多隔仓形式见图1，包括基础桶体1和上部筒体7；基础桶体1内设有多块隔板2和桶壁4组成；基础桶体1顶部设有第一盖板6，盖板6上设通气孔5，同时第一盖板6上还设有杯口3，上部筒体7插入杯口3中；上部筒体7顶部设有挡浪墙8和第二盖板9。

图1　单桶多隔仓形式Fig.1　Single bucket with multiple cabins

1.1.2扶壁式基础岸壁结构形式

扶壁式基础岸壁结构见图2，包括基础桶体1，基础桶体1内设多块隔板2和桶壁5；基础桶体1顶部还设有盖板4，盖板4上开有多个通气孔3；基础桶体1之上设上部扶壁竖向前壁板6、肋壁板7、底板8、压顶板9和压底回填石10。

图2　扶壁式基础岸壁结构Fig.2　Counterfort foundation

1.2主尺度设计原则

桶式结构的主尺度设计方法主要由使用功能、稳定和施工条件控制。对桶式结构分为上筒和下桶两部分，上筒结构断面尺度根据使用功能确定，按直立式结构的规范进行设计；下桶结构断面尺度不仅要考虑稳定性，还要考虑施工条件。因此下桶结构断面尺度要满足以下条件：

1）下桶高度应满足承载力和稳定要求，对于后方回填材料的结构，其进入持力层不小于1.0 m；

2）下桶的长度满足结构稳定性要求；

3）下桶的宽度满足施工条件要求。

2　结构稳定性和承载力的验算方法

2.1结构稳定性计算前提

参考重力式计算法、摩擦阻力方法和无锚板桩方法，提出条件极限平衡计算方法。该方法的思路是假设结构和内部土体发生刚体小转动，合力中心位置不因转动而发生改变，桶内土体参与抗倾计算的重量根据真空度和桶壁摩擦力确定；竖向和水平向极限平衡互不影响（结构各个方向受力平衡）；极限弯矩平衡是根据地基承载力的极限分布形式计算，计算简图见图3。

图3　条件极限平衡计算方法计算简图Fig.3　Calculating sketch of the conditional limit equilibrium method

计算步骤为：

1）转动趋势判断，对结构取隔离体，把结构和结构内土体看成刚体放在刚性地面上，刚性面以上的外荷载使结构产生转动趋势。把这些力平移到结构底面中心上，求出合偏心力距，确定结构偏转方向。

2）计算水平和竖向的合力，求出地基反力。

3）根据极限承载力和地基反力，求出极限弯矩平衡下地基反力分布形式。

4）求出地基反力的合力，并计算与竖向合力形成的极限力矩。

5）计算对底面中心的极限抗倾力矩与对底面中心的倾覆弯矩之比，确定抗倾安全系数。

2.2抗滑稳定计算

根据图3水平向力平衡示意图，得到断面的抗滑稳定计算公式为：

式中：γo为桶式结构重要性系数，γo=1.0；γd为桶式结构等级系数，γd=1.1；γG为桶式结构及桶内土体自重与桶底面土体的摩擦阻力分项系数，取γG=1.0；Gst为桶式和上部结构自重标准值，计算水位以下按浮重度计算，kN；Gs1为桶式结构底面以上土体自重标准值，计算水位以下按浮重度计算，kN；f为桶式结构及桶内土体自重与桶底面土体的摩擦系数；γEp为被动土压力分项系数；γEa为主动土压力分项系数；Ea为主动土压力标准值，kN；Ep为被动土压力标准值，kN；Ks为被动土压力折减系数，根据桶体水平位移情况选取；Pw为泥面以上墙体上的水平波浪力标准值，kN；c为桶底面土体的黏聚力，kN/m2；B为桶底有效面积，m2；γp为波浪水平力分项系数，γp=1.3（极端高水位取1.2）；γc为黏聚力分项系数，γc=1.0。

2.3承载力计算

根据图3平衡示意图，桶式结构的基底应力按自线分布考虑，基底应力的值按重力式码头的基底应力计算方法进行计算，具体参照JTS 167-2—2009《重力式码头设计与施工规范》。

桶式结构底面的地基竖向极限承载力，可用JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》中关于竖向极限承载力计算方法进行计算，并确定地基的允许承载力。

2.4抗倾稳定计算

根据图3平衡示意图，对桶底转动点的力矩平衡，可求出抗倾覆稳定计算公式：

式中：γo为结构重要性系数，γo=1.0；γp为波浪水平力分项系数，γp=1.3（极端高水位取1.2）；γd为结构系数，γd=1.35；γG为结构和土体自重产生的摩擦阻力分项系数，取γG=1.0；γEp为被动土压力分项系数，取γEp=1.0；γEa为主动土压力分项系数，取γEa=1.35；MGst为桶式和上部结构自重标准值对桶式底转动点的稳定力矩，kN·m；MGs1为桶式内的土体（考虑部分土体参与抗倾，其余部分靠摩擦力提供抗倾）和上部结构内的填土自重标准值对桶式底转动点的稳定力矩，kN·m；MEa为桶体前侧的主动土压力标准值对桶式底转动点的稳定力矩，kN·m；MEp为桶体前侧的被动土压力标准值对桶式底转动点的稳定力矩，kN·m；Ks为桶体前侧的被动土压力折减系数，在0.3～1.0之间根据所允许的桶式水平位移情况选取。

采用该方法计算桶式结构的稳定性，具有如下特点，地基反力产生的极限抵抗距受结构竖向合力的控制和地基极限承载力双因素控制，一般随竖向合力的控制和地基极限承载力的增大而增大，不受转动点位置控制，只与外荷载分布形式相关，符合结构的实际受力状态。而且计算参数少，利于使用者掌握。

3　桶式结构变形沉降验算方法

计算固结沉降量Sc时，采用分层总和法，利用各土层e-p曲线计算各土层压缩量。计算公式如下：

式中：SC为固结沉降量，cm；e1i为第i土层在平均自重应力作用下的孔隙比；e2i为第i土层在平均自重应力和平均附加应力作用下的孔隙比；hi为第i层土厚度，cm；MS为修正系数。

桶式结构和筒箱基础结构都没有对地基进行处理，桶内淤泥由于排水通道不畅，沉降缓慢，使用期的沉降量根据使用时间来计算。

4　桶式结构强度验算

4.1设计工况

根据桶式结构的施工工艺和使用期间外荷载情况，确定设计工况如下：

1）桶式结构预制及出运期间，设计工况：桶式结构自重。

2）气浮期间，设计工况：桶式结构+桶内气浮压力。

3）安装期间，桶式结构安装主要通过排气排水下沉，通过真空泵抽取下桶内封闭的气体和水体，将其排放到桶外，使大气压力和桶外水体压力共同作用于桶体上，把桶体压入地基中，直至达到设计标高（图4）。

图4　下沉施工期间结构图示Fig.4　Sketch of the settling in construction period

下沉安装过程中可能出现桶式结构偏位，使桶体发生倾斜，因此需要对结构进行调整纠偏。调整过程是通过控制某个或多个仓格内气体或水体的排放量，改变仓格内的压强，即仓格原压强为P，调整压强为△P，结构受到总压强为P+△P。

4）使用期间，设计工况1：自重+波浪荷载；设计工况2：自重+波浪荷载+桶后回填土荷载。

4.2桶式结构内力计算方法

桶式结构为空间壳体结构，采用理论计算很难求得精确解析解，因此需要借助有限元方法来模拟计算结构受外荷载作用下的内力。一种方式是直接将结构放到实际受力环境中模拟，另一种是将波浪、土体与结构相互作用简化为外力作用于结构上。下面介绍两种数值模型建模方法及对比分析。

1）实际受力环境模型

土体-结构相互作用模型需要建立土体和结构的实体模型，并通过接触单元模拟结构和土体的相互作用行为。本文通过国际著名的有限元软件ABAQUS 6.10求解这一问题。在建模过程中，土体采用弹塑性本构模型，混凝土采用弹性本构模型，然后建立两者之间的接触行为。

2）简化计算模型

采用实体单元（Solid Element）或壳体单元（Shell Element）进行离散。由于本结构厚度小，结构尺寸大，采用实体单元计算时，沿厚度方向应有足够的单元数量，避免因为尺寸效应引起结果精确度不高，由于模型不考虑土体，计算量大大减小，可考虑采用高阶单元，使得结果更接近于能量理论解答。桶体中板的跨度与厚度比值较大，更适合采用壳单元进行计算，壳体单元厚度方向应该设置足够的积分点数目，提高计算精度。

4.3结构配筋方法

通过分析混凝土领域诸多规范对配筋方法的规定，探讨内力法和应力法配筋的一般特点，结合桶式结构的基本特征，提出了本工程中桶式结构的构件基于有限元分析的配筋设计方法；另外，桶式结构的多个构件属于双向板，其裂缝宽度计算方法尚不完善，国内规范没有相关具体规定。

我国现行的混凝土规范（国家标准或者行业标准）关于裂缝宽度计算部分，主要适用于梁、单向板等单向受弯构件的裂缝宽度计算，对于其是否适用于双向板尚缺乏理论分析和试验验证。在国内，由于混凝土双向板受力特性复杂的特点，其裂缝宽度计算方法的研究尚处于初步阶段。因此，在本课题计算中，仍然以国内规范规定计算裂缝宽度。

5　设计技术规定

新型桶式结构在设计时应遵循如下技术规定：

1）桶式结构的下桶具有密闭性，施工下沉完成后，能够继续保持密闭性，水不能通过盖板和桶壁进入桶内。

2）桶式结构的上筒，在防波堤设计时不进行回填，在岸壁结构设计时筒内可回填，也可不进行回填。

3）在方案设计、可研设计阶段，桶体稳定性可以按简化公式估算，初步设计和施工图设计阶段，还需采用数值分析进行校验，当两者结论差异较大时，采用物模进行再次校验。

4）有利于结构稳定的主被动土压力，不能作为结构稳定的主导力，在稳定性计算时，被动土压力按计算值打0.7折使用。

5）桶式结构宜按自浮式设计，尽力避免使用辅助设备助浮。

6）桶式结构一般按受压结构设计，当有上浮要求时，应按受拉结构设计。

7）设计荷载组合分为施工期和使用期，施工期荷载分项系数，可根据荷载性质取低值，使用期荷载分项系数与重力结构相同。

8）桶式结构的沉降完成时间较长，一般可以覆盖结构使用寿命期，应充分考虑沉降和后期处理措施。

6　工程设计实例

6.1设计条件

连云港徐圩港区直立式结构东防波堤工程[3-4]，根据自然条件和施工条件，采用桶式防波堤结构，计算条件见表1、表2。

表1　防波堤沿线外侧50 a一遇设计波要素（极端高水位）Table 1　Design wave parameters out of the breakwater with the recurrence interval of 50 years(extreme high water level)

表2　土层物理力学性指标Table 2　Physical mechanics indicators of the soil stratum

基础桶体呈椭圆形，长轴30 m，短轴20 m，桶内通过隔板划分9个隔仓，外桶壁厚0.4 m（底部4 m范围为0.3 m），中间隔仓板厚0.3 m，隔仓顶部沿短轴方向设4道2 m高肋梁，梁宽0.4 m，桶式基础底端需进入淤泥层下黏土层1.5～2 m，根据地质资料确定，下桶高度为9.5～11 m。2个上部筒体坐落在基础桶顶板上，顶板厚0.45 m，采用预制安装及现浇叠合板结构，上筒外侧底部设1.5 m宽趾板与顶板连接，上筒体为圆形，直径8.9 m，筒壁厚0.4 m，两筒沿短轴方向排列，间距10 m，部分上筒及基础桶一起陆上预制，根据施工水位及施工船机设备的能力，确定上筒预制锯齿状拼缝中心顶标高3.5 m，上筒其余筒体待下桶沉放就位后水上现浇施工，上筒沿堤轴线方向外侧设挡浪板，挡浪板厚度0.4～0.6 m。上筒顶海侧设弧形挡浪墙，挡浪墙由海侧部分筒体升高而成，挡浪墙顶设计标高10.5 m，后期预留沉降量0.3 m，施工期控制挡浪墙顶标高10.8 m（图5）。

图5　桶式基础结构图Fig.5　Sketch of the bucket-based structure

6.2计算工况

参考防波堤规范，并结合桶式结构受力特点，考虑3种设计状况：

1）持久状况：按防波堤规范要求进行组合。

①自重+波浪荷载

②自重+波浪荷载+局部均载（10 kN/m2）

2）短暂状况：在施工期应按承载能力极限状态的短暂组合进行设计，必要时按正常使用极限状态的短暂组合进行设计。

作用效应组合：

①自重+负压荷载

②自重+纠偏负压荷载

③自重+浮运荷载自重+施工荷载

3）地震状况：在使用期受到地震作用时，按JTS 146—2012《水运工程抗震设计规范》有关规定执行，仅按承载能力极限状态的地震组合进行设计。

作用效应组合：自重+地震惯性力

以上组合均应考虑不同设计水位，按最不利情况计算。

6.3计算结果

主要计算结果见表3～表9。

表3　结构抗滑稳定性计算表Table 3　Calculation table of the stability against sliding

表4　结构倾覆稳定性计算表Table 4　Calculation table of the stability against overturning

表5　荷载作用下地基应力Table 5　Stress of the foundation under loads

表6　直立式结构东防波堤沉降计算表Table 6　Calculation table of the settlement of the east up-right breakwater

表7　内力计算结果Table 7　Internal forces calculation results

表8　浮游计算条件和结果表Table 8　Calculation conditions and results during floating

表9　下沉到位时下沉阻力和下沉力对比表Table 9　Contrast of the sinking resistance and sinking force when the sinking is in place

根据本文设计方法，设计出桶式防波堤结构，主要计算结果都符合工程要求。

6.4工程实体

连云港徐圩港区直立式结构东防波堤工程实施基本完成。施工过程中主要设计工况没有出现问题，由此说明按本文设计方法进行工程设计，能够满足工程需要，本文提出的设计方法可以作为该结构推广使用的理论技术依据。

7　结语

本文研究了工程设计中的估算方法和验算方法，给出了具体的计算公式和设计规定。根据设计的深度，不同设计阶段采用不同的估算方法和验算方法。在方案设计和可研设计阶段，一般采用理论计算方法。在初步设计和施工图阶段，除了进行理论计算外，还应采用数值方法进行验算。对于特殊地质或波浪条件，除理论计算和数值分析外，还要进行物模试验。

[1]李武，吴青松，陈甦，等.桶式基础结构稳定性试验研究[J].水利水运工程学报，2012（5）：42-47. LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability test of bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering,2012(5):42-47.

[2]李武，陈甦，程泽坤，等.水平荷载作用下桶式基础结构稳定性研究[J].中国港湾建设，2012（5）：14-18. LI Wu,CHEN Su,CHENG Ze-kun,et al.Stability study of bucket-based structure on horizontal loading[J].China Harbour Engineering,2012(5):14-18.

[3]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区防波堤工程工程可行性研究报告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[4]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区直立式结构东防波堤工程初步设计[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

Design method of bucket-based structure

LI Wu,CHENG Ze-kun
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Bucket-based structure is a new kind of configuration in port and waterway engineering and has no corresponding design method.Aimed at the characteristics of bucket-based structure,we carried a series of systematic studies,and put forward a method for the estimation of bucket-based structure and main dimensions,and the calculation method of stability, bearing capacity,settlement and strength,and summarized the main design methods,such as the technical regulation of bucket structure design and so on.The study can provide a technical support for popularization and application of the new structure in engineering.

bucket-based structure;design method;stability

U656.2；TU441.35

A

2095-7874（2016）03-0019-07

10.7640/zggwjs201603005

2016-01-07

江苏省科技支撑计划项目（BE2013663）；江苏省交通运输科技项目（2013Y20）

李武（1978—），男，黑龙江人，博士后，主任工程师，高级工程师，从事港口工程设计、管理、咨询工作。E-mail：liw@theidi.com