游艇码头定位桩设计荷载计算研究

顾津玮，赵一帆

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

近年来，随着旅游业的蓬勃发展和个性化娱乐服务的兴起，游艇码头的建设需求呈现出明显的增长趋势。

游艇码头的主体结构一般为浮体结构。在设计上，该结构形式与一般的固定式码头有本质区别。而我国现行规范《游艇码头设计规范》（JTS 165-7-2014）[1]针对该类码头的荷载计算、结构计算方式等许多方面没有明确的要求和规定，行业内部对相关问题也尚无明确的共识。《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[2]及《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015）[3]中的荷载计算主要针对传统的大型船舶和不透水式码头结构，将其直接应用于游艇码头的设计还应进行进一步的验证。

我国现有的许多游艇码头设计中，部分未明确的设计原则及荷载计算参考了澳大利亚标准《游艇码头设计指南》（AS 3962-2001）[4]和《海港工程设计手册》[5]。澳大利亚标准《游艇码头设计指南》（AS 3962-2001）在国内外有较多的应用经验，较为可靠；《海港工程设计手册》中针对浮码头的设计和计算进行了专题研究。

本文以我国北方某港游艇码头项目的定位桩设计为例，对游艇码头计算中涉及的荷载计算进行讨论，并对我国现行规范、澳大利亚标准和《海港工程设计手册》的计算结果进行对比。

1 荷载对比及计算

采用定位桩作为锚碇结构的游艇码头，其浮桥结构与定位桩通过抱桩器相连接，浮桥结构的自重、浮力、人群荷载等竖向荷载不会传递到定位桩上。定位桩承受的荷载主要有：浮桥结构的波浪荷载、船舶及浮桥结构的风荷载、船舶及浮桥结构的水流荷载、船舶靠泊时的撞击力及定位桩的波浪荷载。

1.1 浮桥结构的波浪荷载

对于浮桥结构上的波浪荷载，中国规范《游艇码头设计规范》及澳大利亚标准《游艇码头设计指南》中均给出了水平波浪荷载的参考值；而《海港工程设计手册》针对浮式结构的波浪荷载提出了一套计算方法。

1）中国规范

《游艇码头设计规范》中指出，作用于浮箱的波浪力可参照《港口与航道水文规范》计算。《港口与航道水文规范》中没有对下部透水的浮式结构上提出波浪荷载计算方法，只能参照直墙式建筑的波浪荷载进行计算，有研究[6]表明该计算结果明显偏大。

另外《游艇码头设计规范》提出，资料不足时，水平波浪荷载可取 2 kPa。该荷载参考值未给出适用的波浪条件。

2）澳大利亚标准

《游艇码头设计指南》中提出，若不进行详尽的分析，波浪荷载可按照2 kN/m的最小水平力进行计算。同时，指南提出该荷载参考值的适用条件为“小型船只港‘良好’波况标准”。该波况要求与波周期和波向有关，但其显著波高hs最大不能大于0.6 m，对应的设计波高h1%最大不应大于0.7 m。对不满足该要求的波浪条件，应对波浪荷载进一步分析计算。

3）《海港工程设计手册》

《手册》中给出了波浪横向作用于趸船的波浪荷载计算公式：

式中：Hr为反射波高；H’为浮体前实际波高。

上述公式广泛使用于浮式结构的波浪力计算上，亦有研究[6]通过与数值模型计算的结果对比，验证该公式计算结果可靠、且稍大于数模结果，适用于游艇码头设计中。

1.2 船舶及浮桥结构的风荷载

对作用于船舶或结构的风荷载，中国规范《港工结构荷载规范》中分别给出了明确的计算公式；而澳大利亚标准《游艇码头设计指南》则是采用统一的计算公式并通过风阻力系数不同分别进行计算。

1）中国规范《港工结构荷载规范》

作用在船舶上的风荷载计算公式：

作用在结构上的风荷载计算公式：

2）澳大利亚标准《游艇码头设计指南》

作用在船舶或结构上的风荷载计算公式：

式中：CD为风阻力系数，CD取值参考表1。

表1 风阻力系数CD

4）风荷载遮挡系数

《游艇码头设计规范》中规定，相邻泊位下风向游艇被遮挡时，其风荷载可取无遮挡时的30 %；澳大利亚标准《游艇码头设计指南》中规定，被遮挡的游艇，风荷载可取无遮挡时的20 %。

1.3 船舶及浮桥结构的水流荷载

对作用于船舶或结构的水流荷载，《游艇码头设计规范》、《港工结构荷载规范》和澳大利亚标准《游艇码头设计指南》给出了相似的计算公式：

仅在不同类型结构的水流阻力系数Cw有所区别，在此不再逐一罗列。

1.4 其余荷载及荷载组合

1）其余荷载

船舶靠泊时的撞击力在中国规范《游艇码头设计规范》及澳大利亚标准中均没有给出明确计算模式，且根据澳大利亚标准其不与风荷载、波浪荷载、水流荷载组合，本文中不对其进行更深入的探讨。

定位桩上的波浪力在澳大利亚标准中没有给出计算方法，而在《港口与航道水文规范》中有明确的计算公式，本文中不在赘述。

2）荷载组合

根据中国规范《码头结构设计规范》，承载能力极限状态的荷载组合为（另需考虑可变作用的组合系数）：

根据澳大利亚标准，强度极限状态的荷载组合为：

澳大利亚标准中特别指出，风荷载计算采用时距为30 s的风速，而中国规范采用时距为10 min的风速。根据相关研究[7]中提到的风速时距换算关系，10 min时距风速与30 s时距风速的换算系数为0.87。相应的，考虑组合系数后风荷载的换算系数为1.4×0.872≈1.06。对于相同的风况，在考虑时距不同和组合系数差异后，两国规范对荷载组合后风荷载部分的结果相似，中国规范计算结果稍大。

1.5 定位桩荷载增大系数

浮桥结构与定位桩之间通过抱桩器相连，而抱桩器与定位桩必然留有间隙。考虑抱桩器与定位桩间隙不同、定位桩及抱桩器施工偏差、桩位布置情况复杂以及浮桥刚度存在差异等因素，应对上述计算荷载予以适当增大。

中国规范《游艇码头设计规范》中提出，对于管径为 0.5 m的钢管桩，单桩受力增大系数介于1.05～1.60之间。

2 工程实例分析

2.1 项目概况

本文以我国北方某港游艇码头项目的定位桩设计为例，对游艇码头的荷载计算进行对比研究。该码头某结构段包含1条长度为69.5 m主浮桥，两侧长度为12 m和18 m的支浮桥呈梳状布置。该码头锚碇结构为定位桩，并通过抱桩器连接。定位桩设置于支浮桥端头处及主浮桥两侧泊位中间位置，如图1所示。

图1 某港游艇码头定位桩布置

该游艇码头设计船型为12 m游艇和18 m游艇。设计波高为0.9 m，波周期为2.9 s及9.1 s两种；设计风速为26.84 m/s（风速时距为10 min）；水流速度为0.5 m/s。计算中取浮桥干舷为0.25 m，吃水为0.5 m。

2.2 计算结果及对比

1）浮桥结构的波浪荷载

表2 浮桥上的波浪荷载计算结果 kN/m

由计算结果可以看出，《海港工程设计手册》的计算结果明显大于《游艇码头设计规范》和澳大利亚标准给出的参考值。

本计算设计波浪条件远超过澳大利亚标准中提出的适用条件，与1.1节中的分析结论相符；而《游艇码头设计规范》给出的参考值也应提出相应的适用条件。

2）船舶及浮桥结构的风荷载

设计条件中设计风速所采用的时距为10 min。按照澳大利亚标准要求，应采用30 s时距风速进行计算。而由1.4节分析可知，两种规范设计风速的时距差异已在荷载组合分项系数中有体现。在本节分析中，均采用10 min时距的设计风速进行计算。

表3 船舶或浮桥的风荷载计算结果

由计算结果可以看出，《港工结构荷载规范》与澳大利亚标准计算结果基本相符。风荷载计算结果受中间参数取值影响明显，两国规范对结构的分类方式和参数取值均不同，可以认为计算结果中的误差是可接受的。

3）船舶及浮桥结构的水流荷载

表4 船舶或浮桥的水流荷载计算结果

由计算结果可以看出，对于浮桥部分水流荷载的计算，中国规范《港工结构荷载规范》与澳大利亚标准计算结果基本相符；对于游艇所受水流荷载的计算，中国规范《游艇码头设计规范》的计算结果大于澳大利亚标准，更倾向于保守。

3 结 论

1）《游艇码头设计规范》和澳大利亚标准给出的波浪荷载参考值仅适用于较好的波浪条件；对于较大的波浪，推荐使用《海港工程设计手册》中的公式进行计算。

2）中澳两国规范对风荷载的计算公式较为类似，计算结果相近；对下风向被遮挡的游艇，中国规范的折减系数偏于保守。

3）中澳两国规范对浮桥结构水流荷载的计算结果近似，而中国规范对游艇水流荷载的计算偏于保守。

4）中澳两国规范对风荷载计算在设计风速时距和荷载组合系数上的规定不同，将两者结合考虑，则最终结果相近，中国规范计算结果偏于保守。

5）对于游艇码头的定位桩计算，应考虑荷载增大系数。