某开敞式海域地名标志项目结构设计分析

詹坤豫 高迎歆

摘 要：以某开敞式海域地名标志项目为依托，通过计算分析在外海经受强风浪的水工建筑物的结构选型。

关键词：开敞式 强风浪 地名标志

1.引言

传统水工建筑物的建设应尽量选择在自然条件良好的区域。此区域是天然形成，亦或者是通过工程改造，如建设防波堤等方式，使风浪条件能够达到满足水工建筑物正常使用的水平。然而，对于一些建设于远离大陆的外海区域的建筑物，由于施工难度，施工成本等因素的影响，想通过防波堤等传统结构改善风浪条件的方式不管从技术上还是经济上都有较大难度。因此，只能通过水工建筑物本身的结构稳定性来抗衡不利风浪条件的影响。下面，将某开敞式海域地名标志项目为载体，通过计算分析选择在极端风浪条件下保持稳定的最优结构。

2.项目概况

本项目为在某开敞式海域建造一座地名标识工程，建筑物的结构安全等级为Ⅱ级，设计使用期为30年。

3.自然条件

（1）风

项目所处海域热带海洋性季风气候非常明显。每年10月以后，从西伯利亚和内蒙高原吹来的冬季气流不断奔向中国南方海洋，所以此海域及诸岛每年11月至次年3月盛行东风季风，平均风力5到6级，超过7级大风频率达到5%。每年4月开始，此海域及诸岛转而受热带与赤道海洋气团的影响，5月至9月盛行西南季风，平均风力4到5级，除受台风影响的时候，海面相对平静。7月到11月台风最为强烈，这些台风七成来自菲律宾以东的西太平洋面和加罗林群岛附近洋面，破坏力巨大，俗称“土台风”。

西太平洋形成的台风走向较为规律，“土台风”则变化多端，难于预测，往往从生成到登陆的时间极短，防台难度较大。此海域上生成的土台风有15%能够加强为台风，瞬时风力可以达到11到12级风。

此海域的雾每年在北部沿海出现最早，始于头年12月，12月至4月为雾季，2月至3月雾最多。

（2）设计水位

本工程有关的设计水位（当地理论最低潮面起算）如下：

设计高水位：1.75m

设计低水位：0.23m

极端高水位：2.52m

极端低水位：-0.26m

（3）波浪

本项目波浪要素采用项目所在地的水深对应的极限波高、波长和波周期：波高11.85m，波长135.5m，周期12.0s，并以此波浪条件作为波浪力的计算参数。

（4）工程地质

本次勘察已查明在勘探深度范围内，根据地层岩性特征从上而下划分为①珊瑚礁碎石共1个工程地质层。如下：

①珊瑚礁碎石（Q4m）：灰色、灰白色，饱和，松散-稍密，主要由珊瑚碎石块及块石组成，夹杂大量粉、细砂粒及贝壳，颗粒形状不规则，大小不均匀，多孔易碎，分选性差。层顶标高12.60～12.80m，平均值12.70m；层厚25.10～26.30m，受孔深限制，该层未揭穿。

4.结构选型思路

项目所处位置属于强风浪外海区域，没有任何掩护，考虑采用传统的高桩墩台结构或者重力式结构。

初步考虑高桩墩台结构方案，拟采用钻孔灌注桩基础，桩顶安装预制混凝土墩台。采用直径为1.6m，桩长为38.2m的桩基，桩顶与预制混凝土墩台固接的结构型式，经计算，结构在极端工况下可满足抗弯抗拔的受力要求，因此，此方案在技术上可行的。然而项目所在地处外海区域，施工作业条件恶劣，普通钻孔设备无法满足作业要求，需采用深海钻探石油的大型钻孔设备，基于施工单位现有船机配置无法满足这一施工要求，此方案未能得到业主及施工单位的认可，需考虑其他可行方案。

根据现有施工资源，对重力式结构方案进行重点分析，如下图所示，本项目拟采用此断面结构，为重力式墩柱结构。墩台直径2.7m，厚度1.5m，钢筋混凝土（C40）结构。圆柱为？1800mm，高17.30m钢护筒混凝土立柱，钢护筒壁厚14mm，材质为 Q235B，下部嵌入基座。基座为10m直径圆形的外切六边形，基座高度为2m，正六边形钢筋混凝土结构，底座开六个直径为1.9m的圆孔。底座上部叠放4层11m直径圆形的外切六边形的混凝土压载块体，高度为2m，每层压载块开六个直径为1.9m的圆孔。安装底座前先抛填块石基床，抛石基床顶标高-14.80m，基床厚度根据现场情况确定。压载块体安装完毕后向各个预留圆孔插入工字钢，并往孔内灌浇水下混凝土。墩台外围设置1.05m高的不锈钢栏杆。标识结构由碑体和基座组成。碑体平面尺度长2.012m，高1.024m，厚度为0.3m，碑体为天然花岗岩结构。之所以考虑此结构形式，源于结构主要受波浪力作用，柱型结构受力相对合理，结构所受波浪力主要与立柱的尺寸相关，直径越小所受波浪力越小，但是结构自身的自重就越小，由此产生的稳定力矩相应减小。因此，就需要通过计算分析，确定立柱尺寸，使所受波浪力与机构自重达到平衡，极限风浪工况下依然能够保持整体稳定。下面，将对计算的过程进行阐述。

5.结构计算分析

根据《港口与航道水文规范》（JTS145-2015）10.3.2.1，H/d<0.2且d/L》0.2或H/d>0.2且H/d》0.35时，整个柱体高度上的最大速度分力PDmax和最大惯性分力Ptmax可按下列公式计算：

PDmax和PImax对断面的力矩MDmax和MImax分别按下列公式计算：

MImax—作用于柱體计算高度上的最大惯性力矩（kN·m）；

结合《重力式码头设计与施工规范》（JTS167-2-2009）2.5章节内容，对结构在极端风浪条件下进行抗倾抗划稳定性计算以及地基承载力验算，计算结果如表2、表3。

经计算，结构满足在极端风浪条件作用下的保持稳定的要求。

6.结语

（1）本工程采用重力式墩柱结构满足当地极端风浪条件下的受力要求，同时主体结构采用预制的型式，现有船机设备满足对预制构件的起吊工作要求，现场现浇混凝土量较小，从而很好地降低了现场施工的难度。

（2）在各层混凝土块安装叠放完毕后将工字钢插入预留孔洞，并灌入水下混凝土，从而达到加强结构整体性的作用。

（3）此结构设计的不足之处在于现场抛石量较大，在远离石料料场的外海区域，需要更多的运输设备，运输距离也较大，大幅度拉高了项目的成本造价。

参考文献：

[1]中华人民共和国行业标准JTS145-2015.港口与航道水文规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]中华人民共和国行业标准JTS167-2-2009.重力式码头设计与施工规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]中华人民共和国行业标准JTS167-4-2012.港口工程桩基规范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[4]中华人民共和国行业标准JTS147-1-2010.港口工程地基规范[S].北京：人民交通出版社，2010.