游艇码头定位桩计算的初步探讨

苏长南 刘捷 龙正如 广东粤电阳江海上风电有限公司

在游艇码头设计中，需要通过计算定位桩的水平荷载以确定定位桩的桩径及桩间距。定位桩的水平荷载主要是由浮桥以及靠泊游艇受风、水流和波浪作用产生。《游艇码头设计规范》（JTS165-7-2014）[1]给出了风荷载，水流力和波浪力的计算方法，但未明确定位桩的具体计算内容。本文以《游艇码头设计规范》（JTS165-7-2014）[1]为基础，参考澳大利亚《游艇码头设计指南》（AS3962-2001），以某游艇码头工程计算为例，对定位桩的计算进行了详细分析。

1.某游艇码头浮桥概况

浮桥标准段立面图如图1。

2.定位桩计算荷载组合

根据《游艇码头设计规范》(JTS165-7-2014)第7.3.3条，浮桥、定位桩的承载能力、构件承载力等应按承载能力极限状态设计；混凝土构件的抗裂或限裂、构件的变形和结构的位移等应按正常使用极限状态设计。

根据《游艇码头设计规范》(JTS165-7-2014) 第7.3.5条，作用效应组合的原则及分项系数应按现行国家标准《港口工程结构可靠性设计统一标准》（GB50158）有关规定执行。由于这条规定说法较笼统，可操作性不强，实际设计过程中参照澳大利亚《游艇码头设计指南》（AS3962-2001）的第4.2条规定，由于环境荷载对游艇码头设计的关键性，正常使用极限状态通常不是决定性的。对于浮筒需特别考虑，浮筒稳定性分开处理。

（1）对于定位桩。

a.风荷载（极限风速率）+1.5×水流力+1.5×波浪力

b.若洪水或巨涌可能发生：

0.8×风荷载（极限风速率）+1.25×水流力+1.25×最高水位下波浪力

（2）对于游艇码头。

风荷载（极限风速率）+1.5×水流力+1.5×波浪力+1.5×波浪运动的垂直作用

（3）船只冲击。

1.25×由船只冲击产生的荷载（没有环境荷载）

3.定位桩计算

定位桩受到的水平力主要是浮桥以及靠泊游艇受风作用产生的水平力;浮桥以及靠泊游艇受水流作用产生的水平力;浮桥以及靠泊游艇受波浪作用产生的水平力。此外，游艇靠泊时产生的撞击力也会通过浮桥作用在定位桩上，游艇靠泊时的撞击力标准值可根据游艇有效撞击能量、防冲设施性能曲线和浮桥结构的刚度确定。由于游艇需要较好的风浪条件才能靠泊，在允许游艇靠泊的工况下，游艇靠泊时的撞击力及风、浪、流产生的水平力的组合对定位桩受到的水平力不起决定性的作用，因此本文不考虑允许游艇靠泊的工况下定位桩的水平力计算。

（1）浮桥风荷载计算。浮桥宽2m，长度方向每隔12m有2根定位桩。因为浮桥与船只的特点相似，所以计算浮桥风荷载时，把浮桥等效简化成方形船舶来计算。由于浮桥干舷高度一般在0.3～0.6m范围内，取浮桥极限受风高度为0.6m（浮桥水流力计算时，浮桥极限吃水取为0.6m，实际上浮桥极限吃水和受风高度不会同时为0.6m，因此，浮桥受水流力和风荷载作用的计算偏于安全）。根据《游艇码头设计规范》(JTS165-7-2014)，作用于游艇上的风荷载可按现行行业标准《港口工程荷载规范》的规定计算。浮桥等效简化船舶风荷载计算如下：

图1 浮桥标准段立面图

式中：

FXW，FyW—分别为作用在船舶上的计算风压力的横向和纵向分力（kN）；

AXW，AyW—分别为船体水面以上横向和纵向受风面积（m2）。浮桥横向受风面积AXW=12×0.6=7.2m2。浮桥纵向受风面积AyW=2×0.6=1.2m2；

VX，VY—分别为设计风速的横向和纵向分量，船舶在超过九级风（最大风速为22m/s）时离码头到锚地避风，因此控制风速VX，VY=22m/s。

ξ1—风压不均匀折减系数。取1.0。

ξ2—风压高度变化修正系数。取1.18。

因此，浮桥风荷载，FXW（浮桥）=73.6×10-5×7.2×22×22×1.0×1.18=3.026kN，FYW（浮桥）=49.0×10-5×1.2×22×22×1.0×1.18=0.336kN

（2）靠泊游艇风荷载计算。根据《游艇码头设计规范》(JTS165-7-2014)，作用于游艇上的风荷载可按现行行业标准《港口工程荷载规范》的规定计算。21m游艇风荷载计算如下：

式中：

FXW，FYW—分别为作用在船舶上的计算风压力的横向和纵向分力（kN）；

AXW，AYW—分别为船体水面以上横向和纵向受风面积（m2）。根据《游艇码头设计规范》(JTS165-7-2014)附录A表A.0.1-2，分别取80和25。

VX，VY—分别为设计风速的横向和纵向分量，船舶在超过九级风（最大风速为22m/s）时离码头到锚地避风，因此控制风速VX，VY=22m/s。

ξ1—风压不均匀折减系数。取1.0。

ξ2—风压高度变化修正系数。取1.18。

因此，游艇风荷载FXW（游艇）=33.6kN，FYW（游艇）= 7.0kN。

考虑到定位桩间距12m，而游艇长度为21m，因此将游艇风荷载按比例分配到两个定位桩上，即

（3）浮桥水流力计算。浮桥宽2m，长度方向每隔12m有2根定位桩。因为浮桥与船只的特点相似，所以计算浮桥水流力时，把浮桥等效简化成方形船舶来计算。由于浮桥干舷高度一般在0.3～0.6m范围内，取浮桥极限吃水深度为0.6m，水流方向与浮桥垂直。根据《游艇码头设计规范》(JTS165-7-2014)，浮桥水流力计算如下：；

式中：

F— 作用于游艇上的水流力（kN）；

Cd—水流阻力系数；取0.8

V—水流速度（m/s）；取1.0

A—游艇水下部分垂直于流方向的投影面积（m2）。12m浮桥标准段内布置了6组12个浮箱，因此，A=6×1.4×0.6=5.04m2。

因此，浮桥水流力F水（浮桥）=0.8×1×1×5.04=4.03kN

（4）靠泊游艇水流力计算。靠泊游艇按最大设计船型21m计算，水流方向与游艇纵向垂直。根据《游艇码头设计规范》(JTS165-7-2014)，游艇水流力计算如下：F=C dV2A；

式中：

F— 作用于游艇上的水流力（kN）；

Cd—水流阻力系数；取0.8

V—水流速度（m/s）；取1.0

A—游艇水下部分垂直于流方向的投影面积（m2）。按21m游艇计算，由于定位桩间距是12m，投影面积取为12×1.6=19.2。

因此，靠泊游艇水流力F水（游艇）=0.8×1×1×19.2=15.36kN

（5）浮桥波浪力计算。设计游艇码头港池时，一定要限制波浪高度，以确保游艇安全停泊并保护船只安全。

根据《游艇码头设计规范》(JTS165-7-2014)第5.3.1条，岸式泊位的系泊允许波高应满足：横浪H1%≤0.5m（50年一遇）；第7.4.6条，作用于浮箱的波浪力可参照现行行业标准《海港水文规范》（JTS 145-2-2013）计算，资料不足时，水平波浪荷载可取2kPa。

浮桥极限吃水取为0.6 m，12m 浮桥标准段投影面积为1.4×0.6×6=5.04m2因此，F波（浮桥）=2×5.04=10.08kN

（6）靠泊游艇波浪力计算。靠泊游艇取最大设计船型21 m游艇计算，游艇最大吃水1.6 m，在12 m浮桥标准段内游艇投影面积为12×1.6=19.2m2，因此，F波（游艇）=2×19.2=38.4kN

（7）桩综合计算。

a.只考虑环境荷载时，作用在单桩上的水平荷载为

b.当考虑船舶荷载时，可不考虑浮桥的环境荷载。船舶荷载包含系缆力、挤靠力和撞击力。系缆力和挤靠力不会同时存在，且挤靠力（由风和水流力产生）比系缆力大，因此，游艇只考虑环境荷载影响下的挤靠力和撞击力。由于撞击力由波浪作用产生，撞击力和挤靠力也不会同时存在。因此船舶荷载下桩的水平荷载取挤靠力和撞击力二者的大值。

①挤靠力。

由于，《游艇码头设计规范》(JTS165-7-2014)中只给出船舶受风投影面积，没有给出与船舶受风投影面积相对应的吃水，这样两项取最大叠加与澳大利亚《游艇码头设计指南》（AS3962-2001）不符，所以桩的水平荷载应取单项最大。

②撞击力。

船舶的波浪力属于船舶撞击力，与挤靠力不会同时存在。

综上可得，浮桥对定位桩产生的水平荷载应取为24.19kN。

（8）定位桩抗弯承载力计算。

计算条件：

①定位桩入土段嵌固模型采用假想嵌固点法，定位桩嵌固点距泥面4.5m，自由长度为12.5m，水平荷载为24.19kN。

②选用DN450 钢管桩，外径480mm，壁厚度9mm。

③桩身材料的弹性模量EP=2.06×105Mpa，I=3.69×10-4m4。

根据以上计算条件，定位桩可按悬臂梁计算弯矩：

定位桩最大应力为：

定位桩允许应力为215Mpa，因此，定位桩在水平荷载作用下满足要求。

4.结论

本文以《游艇码头设计规范》（JTS165-7-2014）为基础，参考澳大利亚《游艇码头设计指南》（AS3962-2001），通过对浮桥以及靠泊游艇受风、水流和波浪作用产生的水平力进行详细分析计算，最后得到单桩上的水平荷载。通过单桩水平荷载可确定定位桩桩径和桩间距，从而避免了游艇码头设计中定位桩设计的盲目性，对游艇码头设计有积极的指导意义。