桶式结构构造处理技术

李　武，杭建忠

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）



桶式结构构造处理技术

李武，杭建忠

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

桶式结构为空间薄壁结构，结构计算时，薄壁相交位置受力复杂，很难计算准确。文中针对桶式结构，研究其构件和整体结构的薄弱部位，给出相应的加强构造措施，解决桶式结构中计算难题，进而为工程设计提供参考借鉴。

桶式结构；结构构造；薄壁结构

0　引言

多隔仓混凝土桶式结构由海洋平台结构基础演变而来，其外形上多为底端开口、顶端封闭的倒扣大直径单桶单仓结构。安装时，首先依靠桶体自重使其部分地插入土中以形成密闭空间，然后抽出桶内的空气，利用内外压力差，将桶逐步压入至海床内预定深度完成安装，在海洋石油平台工程中已推广使用。在水运行业，也引进该项技术，结合水运行业、海域地基的特点和依托工程，研发了桶式结构[1-4]。

该结构断面如图1，外形近似为椭圆，下桶有9个格仓，根据结构排气排水下沉情况，调整各仓的压力，对结构进行调平。放置在软土地基上的结构依赖于其自身的稳定性保持工作状态，其稳定性的计算方法决定着桶式结构的入土深度和断面尺寸。

桶式结构抗滑、抗倾稳定性计算方法与目前采用的单桶单仓结构相比有其自身的特点，因此桶式结构不能直接应用单桶基础结构的设计方法，必须对桶式结构建立适合其功能特点和结构特性的技术体系，为此本文针对桶式结构的下桶盖板、桶壁、抽气抽水孔、上筒下桶结合部、挡浪墙、上筒泄水孔、上筒挡浪板、桶间接头及冲刷防护等构造技术，进行深入研究，分析其结构的薄弱位置，提出有效的加强措施，为桶式结构设计提供参考。

1　结构组成

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。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高肋梁，梁宽0.4 m，下桶高度为8～ 11.5 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，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。

图1　桶式结构图Fig.1　Sketch of the bucket-based structure

桶式结构的两侧采用块石护底。护底块石重量和范围根据波流条件确定，海侧护底块石为400～600 kg的块石，块石下方抛设600 mm厚二片石，以防止大块石沉入淤泥中，有效护底宽度为25 m，港侧护底块石为200～400 kg的块石，块石下方抛设600 mm厚二片石，有效护底宽度为20 m。结构详见图1。

2　桶式结构构造措施

2.1盖板构造措施

下桶顶板内力主要受下沉负压和回填土压力控制，根据内力要求，板厚要加厚，配筋量也较大，为控制板厚尺寸，减少板的配筋量，一般都采用设置肋梁方式来解决板厚问题，优化板结构的受力，从而控制了顶板厚度并降低了配筋量，达到控制造价的目的。

2.2上筒底部与下桶顶板结合部构造措施

桶式结构的上筒与下桶的连接有两种形式，一种是柔性连接，即上筒与下桶分离，下桶顶板顶部设一圈梁，上筒坐落在圈梁内；另外一种是采用刚性连接，即上筒与下桶连为一个整体。上筒受到波浪力作用下，使下桶顶板局部应力较大，盖板厚度不能适应，因此采用设置趾板来分散盖板上局部应力集中问题。

2.3下桶顶板采用预制现浇叠合板结构

桶式结构作为新型结构，主要利用下桶插入淤泥质土并进入淤泥层下层黏土层一定深度，达到结构在使用荷载作用下稳定的使用要求，根据结构的功能要求，下桶底部为类似桩基的开口形式，下沉施工时首先是靠自重下沉，当达到一定的深度时必须通过抽出桶内泥浆和空气，使其产生负压下沉。另一方面，如果下沉时基础发生偏斜超出允许范围，必须通过抽出不同隔仓的空气产生负压进行纠偏。这些工况下对于下桶顶板的气密性要求很高，由于单个构件较大，陆上预制施工时下桶必须开口朝下，整个下桶为封闭结构，如果下桶顶板采用整体现浇，能够很好满足气密性要求，但是顶板下部模板无法取出，施工成本很高。

为了解决这个问题，下桶顶板设计时采用预制现浇叠合板，同时为了保证整个顶板的气密性，将预制顶板搁置的下桶壁、隔板、肋梁等设置放大牛腿，增大现浇结合部。通过将下桶顶板设计成预制现浇叠合板结构，为桶式结构的实际运用解决了施工难题。

2.4下桶底部设置变截面

根据计算，下桶外壁底部控制工况为施工期陆域出运工况，此时内力不大，但是考虑到下沉施工过程中下沉阻力较大，下沉时负压增大对整个结构受力不利，同时增大了下沉施工的难度，为减少下沉阻力，设计采取将下桶底部桶壁厚度减小。

通过采取变截面措施，减少了下沉端部阻力，同时减少了工程量，降低工程造价。

2.5挡浪板的设置

桶式结构下沉施工后，相邻基础的上筒间存在一定距离的空隙，必须采取措施将此空隙阻断，否则整个结构的挡浪、减淤或作为驳岸的功能将大大削弱。桶式结构在施工安装下沉时会产生一定的偏移或倾斜误差，挡浪板的设置必须满足施工要求。

本结构采用搭接、错开布置原则，在相邻上筒侧设置挡浪板，设置时错开布置。为优化结构受力，将挡浪板设为端部薄、根部厚的梯形结构。同一基础的上筒间采用直墙板连接。

2.6挡浪墙的设置

桶式结构作为堤身或直立式驳岸结构，顶部均需设置挡浪墙，波浪力作为结构所受的主要外力，挡浪墙的设置最好能起到减小波浪力作用的效果。

桶式结构的上筒作为圆形结构能起到很好的消浪作用，设计利用迎浪侧的上筒壁局部升高作为挡浪墙结构，很好解决了在圆形结构设置挡浪墙问题同时起到减小波浪力作用的效果。

2.7上筒设置泄水孔

桶式结构使用过程中上筒内会有积水，为使筒内积水保持在一定的高度，在上筒适当的位置设置泄水孔。

2.8下桶顶板设置抽气孔

桶式结构施工过程中需要抽气负压下沉及纠偏，在施工完成后，相关孔洞必须封闭，确保结构的稳定，因此，预制施工时，必须在下桶顶板预留抽气（水、泥浆）孔，每个隔仓设置2个，该抽气孔在施工完成后可以而且必须进行封闭。

2.9桶间接头构造

桶间结构构造可采用以下方式。

1）方案一：工字形钢板+模袋混凝土

如图2所示，采用工字形钢板+模袋混凝土填补接缝。靠海侧浪溅区钢板厚度30 mm，水下钢板厚度20 mm，陆侧钢板厚度20 mm，腹板厚度10 mm，海侧和陆侧钢板外表面采用涂层保护，特别是海侧每隔15 a涂刷一侧，工字形尺度为1 000 mm×1 000 mm，放在挡浪墙中心，距每侧300 mm，与挡浪墙重叠250 mm。工字板中间空隙采用模袋混凝土现场浇筑，结构下端回填2 m厚块石进行防护回填土从下端流失。每组使用模袋混凝土方量为9.72 m3，钢板重量为5.6 t，原设计方案混凝土方量减少了8.02 m3。

图2　工字形钢板+模袋混凝土Fig.2　I-shaped steel plate and the bagged concrete

2）方案二：工字形混凝土板+模袋混凝土

如图3所示，用工字形混凝土板+模袋混凝土填补接缝。工字形尺度2 000 mm×1 800 mm，翼缘宽2 000 mm，厚300 mm，腹板宽1 800 mm，厚400 mm，放在空隙中心，距每侧桶边300 mm，与挡浪墙重叠500 mm。工字板中间空隙采用模袋混凝土现场浇筑，结构下端回填2 m厚块石进行防护回填土从下端流失。每组使用模袋混凝土方量为9.28 m3，工字形混凝土方量为21.12 m3，原设计方案混凝土方量减少了11.6 m3。

图3　工字形混凝土板+模袋混凝土平面图Fig.3　Plan of the I-shaped concrete plate and the bagged concrete

3）方案三：现浇接缝方案

如图4所示，采用水上现浇混凝土接缝。在预制场预制是预留钢筋，桶体安装完成后，将接缝浇筑完成，浇筑接缝是在两挡浪墙中间设置橡胶垫将两个墙体分开。结构下端回填2 m厚块石进行防护回填土从下端流失。原设计方案混凝土方量减少了7.8 m3（由于施工安装错位，现浇部分方量可能增大，但是不会超过7.8 m3）。

图4　现浇接缝方案平面图Fig.4　Scheme plan of the jointing by cast-in-situ concrete

4）方案四：挡浪墙削角方案

本次修改仅是为了方便施工，考虑水位较高时安装，挡浪墙容易发生碰撞，因此将距盖板上1 500 mm范围内的挡浪墙削掉一个角，详见图5、图6。

图5　挡浪墙削角方案立面图Fig.5　Scheme elevation of chamfering the wave wall

图6　挡浪墙削角方案平面图Fig.6　Scheme plan of chamfering the wave wall

5）方案五：挡浪墙扩大错位距离方案

本方案与设计方相比，既是挡浪墙搭接长度由原来200 mm变为300 mm，间距由原来200 mm变为500 mm。详见图7。

图7　挡浪墙扩大错位距离方案平面图Fig.7　Scheme plan of enlarging the distance between wave walls

2.10桶式结构冲刷防护

桶式结构的冲刷与直立式结构的冲刷较为相似，都是由水流和波浪组合作用引起。先由波浪作用掀砂，再由水流把泥沙带走形成冲刷坑。而且桶式结构是通过预制安装形成水工结构，安装缝隙很容易过流，而且流速被加大，容易形成串式冲刷坑。为了防止结构前形成大的冲刷坑影响结构安全。采取必要的防护措施是保证结构安全的必要手段。根据波浪与结构的相互作用规律，冲刷位置一般位于结构附近1/4波长范围内，因此防护范围一般大于波浪的1/4波长，桶体两侧都需要防护。防护材料一般采用块石或其它水工织物。

3　结语

桶式结构是一种新型空间薄壁结构，其主要构造处理措施如下：

1）根据其受力特点，结构薄弱部位主要是下桶顶盖板，构造处理措施采用局部加厚或以梁代板做法；

2）为满足施工要求，盖板上还开设排气排水孔，在孔周围局部钢筋加强；同时下桶壁板进行变截面设计，以减小下沉阻力；

3）为满足功能要求和施工间距要求，上筒的轴向位置上设置挡浪翼板，减小泥面以上相邻筒间距离，为堵封施工提供施工条件；

4）为防止冲刷，设置块石护底，保护下桶体不被冲出泥面，进而保护桶式结构的整体稳定性。

[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 the bucketbasedstructure[J].Hydro-scienceandEngineering,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 bucketbased 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.

Configuration processing technology of bucket-based structure

LI Wu,HANG Jian-zhong
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The bucket-based structure is a special kind of thin-walled configuration,its accurate numerical computing results is very hard to be reached,because the stress within the cross section of walls is rather complex.Aiming at the bucket-based structure,we researched the weak parts of the component and the whole structure,put forward the corresponding measures to strengthen the structure,and solved computational problems of bucket-based structure.The study will provide a good reference for engineering design.

bucket-based structure;structure configuration;thin-walled configuration

U656.2；U655.54

A

2095-7874（2016）03-0059-05

10.7640/zggwjs201603013

2016-01-12

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