桶式结构内力研究

陈海峰，陈允才

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏连云港222042）



桶式结构内力研究

陈海峰1，陈允才2

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏连云港222042）

桶式结构在深厚软泥土沿海工程中逐渐引起关注并应用于工程实践，但桶式结构的内力计算方法尚未得到解决。文章结合连云港防波堤工程，采用数值模拟方法和原位监测方法，分析结构内力；在合理的设计工况条件下，对比分析数值模拟结果与原位监测结果；根据监测应力变化规律，针对纠偏设计荷载和桶盖板所受外荷载，修正设计工况，为桶式结构设计提供参考。

桶式结构；软土地基；防波堤

0　引言

桶式结构是一种适用于近海软土地基的新型结构。该种结构由安装在水下土中的基础部分和其上的墙体部分组成，上下两部分是联体的。基础部分为一倒扣的桶体，在桶体中设有隔板。上部墙体可以为直立圆筒或其它结构。当桶式结构作为防波堤结构与地基土体相结合时，具有以下特点：首先，桶式结构是一种全新的较大尺度的轻型刚性结构，其自重较轻，因此，给地基施加的竖向荷载较小；第二，桶式结构本身是一种薄壁结构，加上内隔板使得它与地基土接触的面积很大，能将桶结构所承受的竖向荷载和侧向荷载合理分布到较大面积的海底地基土体上。在承受竖向荷载时，能充分发挥下桶内外壁两面与地基土的摩擦作用；在承受侧向荷载时，能充分发挥下桶内外侧壁所受到的侧向限制作用。另外，下桶在下沉就位后，所有通气孔被密封，桶内土体与桶体结构侧壁发生相对位移时将受到真空吸力作用，这样，下桶基础与桶内地基土就形成为一个整体，共同承受波浪荷载、冰荷载等横向荷载作用而保持稳定[1-4]。

然而，桶式结构受力非常复杂，与施工期和使用期荷载都密切相关，目前还未有该结构的有效的计算方法。因此，本文依托连云港港徐圩港区防波堤工程，利用数值模拟和原位试验等手段，研究桶式结构的内力控制条件，优化结构断面形式，为新型桶式结构设计提供参考。

1　结构形式

桶式结构断面由钢筋混凝土椭圆腔体结构件和护底块石组成。标准桶式结构每一组结构构件由1个基础桶体和2个上部筒体组成。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，0.4 m宽肋梁，桶式结构底端需要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为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为10.8 m。详见图1。

图1　桶式结构图Fig.1　Configuration of the bucket

2　计算工况

根据桶式结构施工特点和使用要求，结合施工期现场原位试验测试结果，拟定施工期的计算工况为：

1）陆域运输荷载工况1：自重荷载。

2）海上运输荷载工况2：气浮荷载（53.69 kPa（0.53大气压），分项系数1.05）。

3）下沉荷载工况

工况3：自重+负压荷载（自重入土深度4.5 m）；

工况4：自重+负压荷载（入土深度6 m）；

工况5：自重+负压荷载+压载（入土深度8 m）；

工况6：自重+纠偏负压荷载23.30 kPa（0.23大气压)，各个隔仓的压力差；入土深度4.5 m）；

工况7：自重+负压荷载+纠偏负压荷载23.30 kPa（0.23大气压)，各个隔仓的压力差；入土深度6m）；

工况8：自重+负压荷载+纠偏负压荷载20.26 kPa（0.2大气压)，各个隔仓的压力差；入土深度8m）。

3　数值模拟结果

不同工况结构各构件内力结果（承载能力极限状态，单宽板带值）如图2。图中SM1为结构水平向单宽板带弯矩（对于顶板，矢量垂直于短轴方向），N·m；SM2为结构竖直向单宽板带弯矩（对于顶板，为长轴方向），N·m。

由图2所示，桶式结构在自重作用下，下桶最大弯矩出现在下桶外壁平板处，水平向单宽弯矩110 kN·m，竖向单宽弯矩100 kN·m，最大轴力出现在下桶隔板底端板带处，单宽最大轴力1763kN。

图2　工况1计算结果Fig.2　Calculation results of working Condition 1

桶式结构在气浮荷载作用下，桶体响应的最大弯矩小于自重荷载产生的弯矩，弯矩分布比较均匀。

由图3所示，桶式结构在下沉荷载作用下，桶体响应的最大弯矩分布在盖板与桶壁交界处，或盖板与隔板的交界处，水平向单宽弯矩为142 kN·m，竖向单宽弯矩为148 kN·m，其他部位的弯矩都较小。

图3　工况5计算结果Fig.3　Calculation results of working condition 5

桶式结构在自重荷载和纠偏荷载作用下，桶体响应的最大弯矩分布在隔板上，其大小与相对下沉荷载产生的响应弯矩小很多，对结构设计不起控制作用。

4　原位试验结果

根据桶式结构数值模拟的研究结果，确定结构在浮运、负压下沉等外部荷载作用下可能产生较大内力的部位，分别测试桶式结构在出运浮运、负压下沉各种工况下的桶壁、基础桶盖板和连接墙内关键部位钢筋应力。

测试点平面布置如图4，典型的测点钢筋应力曲线如图5。

图4　测试点平面布置Fig.4　Layout of the checkpoints

图5　下沉前后G2测线各测点钢筋应力Fig.5　Strains in steels of different checkpoints along Check Line G2 before and after the sinking

监测结果表明，浮运过程中，桶壁钢筋应力很小，桶体在下沉过程中钢筋应力变化比较剧烈；下沉完成后，钢筋应力逐渐趋于稳定；在桶体长轴方向的两端的测点，即G1、G2、G3，在下沉过程中、下沉完成后，3条测线上的钢筋应力均比较小，受力较大的是G6测线，其次为G7、G4、G8、G5测线，这与数值模拟结果较一致。在桶体两端的桶壁上，变形最小，受力也最小（G1、G2、G3三条测线）；在两侧的平板桶壁上，变形相对最大，受力也最大（G4、G5、G6三条测线）；其次为弧形桶壁（G7、G8两条测线）。下沉完成后，所有侧壁的钢筋应力均不超过40 MPa（即单宽弯矩为11.5 kN·m）；除G6测线（最大应力值140 MPa，对应弯矩为40.3 kN·m）外，其他桶壁测线所测得的钢筋应力值在下沉中、下沉后也基本上不超过40 MPa。下沉完以后，随桶体外部超孔隙水压力的消散，桶外土体压缩，桶体有“膨胀”的趋势，因此，桶壁钢筋（环向钢筋，桶壁钢筋计测得的均为环向钢筋应力）应力稍微有所增加。

浮运过程中，桶壁各测点的钢筋应力很小；在下沉过程中、下沉完成后，隔墙钢筋应力总体要比桶壁钢筋应力大，下沉过程中，G9-1的最大应力值达到400 MPa（即单宽弯矩为115 kN·m）以上，下沉完成后，钢筋应力均下降到100 MPa以内；下沉稳定后，桶壁在竖向两端相当于受约束端（上部受盖板约束、下部受相对较硬的粉质黏土层约束），在大部分桶壁范围内受桶内淤泥作用，隔墙最大应力均出现在隔墙中部，因此，下沉稳定后，隔墙各测线中部测点的钢筋应力较大。

受盖板自重与桶内土压（浮运过程中的气压、下沉过程中的水压及下沉后的土压）平衡作用，在下沉过程中、下沉完成后，盖板钢筋受力均较小，下沉过程中，盖板钢筋最大应力不超过15 MPa，下沉完成，盖板钢筋应力基本不超过10 MPa。

5　桶式结构内力分析

根据数值模拟结果和现场原位监测数据，两者变化趋势不一致，存在一定差别，其原因为，数值模拟外荷载与实施时荷载不同，作用方式也有差别。在整个下沉过程中，只有纠偏时桶体局部应力增大，例如G6、G9和G10测线上应力都较大，但是桶外壁G6上的应力还在设计范围内，隔板上外力超出设计范围。由此可以得出，设计确定的纠偏工况不合理，外荷载考虑的偏小，而其他工况较为合理。另外，盖板上监测到的应力也很小，与数值模拟结果差别较大，实际监测结果是由内外压力差引起盖板钢筋应力，而数值模拟只考虑桶外荷载作用，忽略桶内水对盖板支撑作用，因此引起模拟应力偏大。

综上分析，桶体外壁的内力按数值模拟结果可以包络实际下沉产生的内力，存在一定安全储备，设计工况确定合理。桶隔板的内力远远超过设计，因此该工况应该调整到实际情况，即纠偏荷载取101.30 kPa（1.0个大气压）。桶盖板内力数值模拟结果也远远小于实际测试值，所以盖板所受荷载还需调整为桶内外压力差，以此为设计控制工况，较为合理。

6　结语

通过对桶式结构数值结果和原位监测结果的分析，得出只要设计工况确定合理，两种方法得到的内力趋势一致。设计工况与实际出现偏差，数值方法得到的内力与监测内力即会出现较大偏差，由此看出只要设计工况合理，数值方法可以得到桶式结构内力。另外，根据监测应力变化规律修正了设计工况，特别是纠偏设计荷载和桶盖板所受外荷载。纠偏荷载由原来的23.30 kPa（0.23个大气压）增加到101.30 kPa（1.0个大气压），桶盖板荷载由原外荷载修正为桶端阻力与摩阻力之和。

[1]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 bucketbased structure on horizontal loading[J].China Harbour Engineering,2012(5):14-18.

[2]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 the bucketbasedstructure[J].Hydro-science andEngineering,2012(5): 42-47.

[3]李武.新型桶式基础防波堤与地基动力相互作用研究[R].南京：南京水利科学研究院，2014. LI Wu.Dynamic interactions research between bucket-based breakwater and the ground[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2014.

[4]曹永勇.新型桶式基础防波堤在负压下沉中的结构内力观测及分析[J].中国港湾建设，2014（4）：26-29. CAO Yong-yong.Test and analysis on the structural internal force of the new bucket-based breakwater driven by negative pressure[J]. China Harbour Engineering,2014(4):26-29.

Internal stresses of bucket-based structure

CHEN Hai-feng1,CHEN Yun-cai2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.Lianyungang Port 300 000 Tonner Channel Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

The bucket based structure foundation which is adaptable to thick soft soil ground in silt coast has drawn a growing concern in port and waterway engineering and has been successfully applied in practical project.However,the computing method of its internal stresses has not been studied before.In this paper,the numerical simulation method and the in-situ inspecting test are adopted to analyze to internal stresses of the structure for the breakwater project in Lianyungang Port. Different results of the both methods are compared together under reasonable design conditions.According to the variation regularity of the observed internal stresses,the design conditions are calibrated after rectifying the design loads and external loads on the bucket cover,which will help to provide reference for the design process.

bucket-based structure;soft soil ground;breakwater

U652.74

A

2095-7874（2016）03-0031-05

10.7640/zggwjs201603007

2016-01-04

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

陈海峰（1976—），男，江苏海安人，高级工程师，从事港口航道工程结构设计研究工作。E-mail：chenhf@theidi.com