大吨位混凝土锚固基础设计

唐继蔚 王 钰

（交通运输部上海打捞局，上海 200090）

0 引 言

我国海域辽阔，海底土质多样，有黏土、砂土、珊瑚岩、钙质砂等[1]，在不同海域进行工程建设时需要设计合适的系泊系统，锚固基础是系泊系统中重要的承载构件之一，需要根据不同的土质特点选择适用的形式。大吨位锚固基础属于重力式锚，其由钢筋、混凝土和钢材等材料制成。有关重力锚的设计计算，早在1982 年TaylorR[2]给出了相应的选取原则和设计计算方法。Michael Grant Seibert（2011）[3]为南佛罗里达海洋再生能源体系设计了重力锚泊系统，讨论了在佛罗里达海底600～800 m 水下，年代久远的沉积土、欠固结淤泥，以及有砂土的硬层土可选择的锚泊形式。在“世越”号打捞时由于海底泥质坚硬，现场设计使用钢筋混凝土重力锚在实际施工中提供了200 t 以上的锚抓力[4]。

重力式锚具有适应范围广、安装简单等优点，不仅可以提供较高的水平爪力，还具有一定的抗垂向拉力的能力。在一些特殊环境，例如热带岛屿或火山环礁起源地，这些地方一般有陡峭山坡、不规则的地形、不定厚度的沉积物，针对硬质海底土壤条件如：珊瑚砂、岩石、碎石土等，无法使用常规船锚或者吸力桩等作为临时锚泊系统，而重力式锚可满足使用要求。虽然底质的剪切强度和锚与底质之间的摩擦力会影响重力锚承受水平负荷的能力，但是波浪载荷对重力锚的承载力的影响同样十分显著，在波浪载荷作用下，重力锚的水平承载力会下降[5]。为增大重力锚水平承载力，推荐底部带有剪力键的重力锚作为海洋平台系泊装置[6]。

重力锚的大小和形式取决于其所要锚固结构物的要求，随着结构物的不同具有很大的差异[7]。大吨位混凝土锚固基础作为重力锚的一种可满足大型结构物系泊要求，根据现有锚固基础水平承载力计算方法结合环境载荷影响提出大吨位锚固基础水平承载力计算公式和重量计算方法，并对大吨位锚固基础的设计和吊装、连接眼板强度进行了研究。最后通过计算案例详细介绍大吨位混凝土锚固基础的设计与计算过程，为其实际应用提供参考。

1 锚固基础设计

1.1 水平承载力计算

根据《BARTHOLOMEW CharlesA.USnavysalvage engineer’s handbook.USA:US Navy,1992:G1-G36》[8]的数据，对于非黏性土，锚在水平荷载作用下，锚底土体发生排水剪切破坏，其最大水平承载力为：

式中，μ为锚底与土体的摩擦系数或为有剪力键时土与土之间的摩擦系统，μ=tan(ϕ-5)（在没有剪力键的钢质或混凝土的锚底需要折减5°），μ=tan(ϕ)（有剪力键的锚固基础）；ϕ为锚底土体内摩擦角；Wb为锚在水下的重力；Fve为设计载荷与锚链载荷竖直方向上的分力；Fh为设计载荷与锚链载荷在水平方向上的分力；γb为土的浮重度；A为锚底面积；Df为剪力键入泥深度，海底泥面以下；β为海底泥面坡角；Rp为锚底前沿的被动土压力。

1.2 环境载荷计算

锚固基础还需要克服环境载荷（波浪力及水流力）所带来的水下水平载荷，其中以水流力为主，计算公式如下：

式中，Cw为水流阻力系数；ρw为水的密度；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积；V为水流设计流速。

1.3 锚固基础重量计算

根据锚固基础水平承载力和环境载荷可推导出混凝土锚固基础的水下重力，计算公式如下：

若土壤承载力能力未知，无法评估锚嵌入土壤的深度，同时考虑到潮流冲刷等综合性因素，γbADf和Rp可以忽略，且当锚固基础只受水平拉力（β=0）即没有竖向拉力时锚固基础水下重力计算公式可转化为：

混凝土锚固基础空气中的重力计算公式如下：

式中：ρc为混凝土密度。

2 大吨位混凝土锚固基础结构设计

大吨位混凝土锚固基础结构包括锚固基础本体、剪力键、吊装眼板、锚链连接眼板、定位用定位设备底座，如图1 所示。在设计时需要注意的关键点：

图1 大吨位混凝土锚固基础示意图

（1）锚固基础本体混凝土结

构需满足GB50204 混凝土结构施工质量验收规范[9]的相关要求，考虑其主要用于水下，建议使用C35 及以上标号的混凝土，钢筋不能露出混凝土表面，必要时需要加装阳极保护。

（2）锚固基础吊装眼板的间距要

符合施工设计要求，例如需要与所选浮吊船吊钩间距相匹配、考虑吊索的开角等；

（3）眼板包括主体、圆柱头焊钉、加强板，设计时不仅需要校核其结构强度，还要考虑周围混凝土强度。眼板结构上的圆柱头焊钉可增加其与混凝土的结合力；加强板用于增强眼板的结构强度和稳定性；眼板底部和锚固基础的钢筋层连接，进一步增强其与混凝土的结合力。

（4）定位设备是安装时的关键设备，可保证锚固基础布放的精准度。其底座由钢板和钢筋组成，嵌入于锚固顶部，露出的钢板部分可用于安装水上、水下定位设备。

图2 眼板结构示意图

3 眼板结构强度校核

眼板作为吊装锁具、锚链的连接结构，形式简单、制作方便、卸扣连接简便、结构强度高等优点，只需要在锚固基础浇筑前预埋至其内部，施工难度低。

眼板设计可以根据AISCASD9thEdition 钢结构许用应力设计规范[10]对眼板结构强度进行校核。

3.1 眼板吊点挤压应力校核

按上述规范要求抗挤压许用应力为：

式中：σs为钢材屈服强度。

假定挤压应力是均匀分布的，则工程上简化的实用计算公式如下：

式中：Fb为挤压力，Ab为挤压面面积。通常销轴与眼板孔挤压应力分布情况如图3 所示，最大应力发生在半圆柱形接触面的中点，它与实用计算所得的挤压应力大致相等。挤压面面积Ab为挤压面的正投影面积，对于半圆柱形挤压面面积就是直径平面面积（如图4 所示），即：Ab=td。

图3 销轴与眼板孔挤压应力分布图

图4 挤压应力等效投影面

3.2 眼板吊点孔剪切应力校核

根据规范要求抗剪切许用应力为：

假设应力在剪切面内是均匀分布的，即平均应力也称名义剪应力，工程上简化的实用计算公式如下：

式中：Q s为剪力，As为剪切面面积。

3.3 眼板拉应力校核

根据规范要求抗拉许用应力为：

眼板拉应力计算公式为：

式中：FT为眼板受到的拉力，AT为眼板截面积。

3.4 眼板弯曲应力校核

根据规范要求抗弯许用应力为：

眼板截面如图5 所示，绕X 轴弯曲应力计算公式为：

图5 眼板截面示意图

式中：MXX为眼板绕X 轴方向所受弯矩；L为中性轴位置，；W为眼板主板宽度；tg为眼板侧板厚度；IXX为眼板截面X 轴惯性矩计算公式如下：

式中：tm为眼板主板厚度；W g为眼板侧板宽度。

绕Y 轴弯曲应力计算公式为：

式中：MYY为眼板绕Y 轴方向所受弯矩；IYY为眼板截面Y 轴惯性矩计算公式如下：

4 锚体强度校核

在眼板受拉时，眼板底部T 型结构对锚体有破坏影响，需要对锚体的强度进行校核。根据GB50010 混凝土结构设计规范[11]可获得不同强度等级的混凝土轴心抗拉强度设计值ft。可参照JGJ145 混凝土结构后锚固技术规程[12]对混凝土抗拔强度进行校核，单个眼板（锚栓）受拉时，混凝土理想锥体破坏投影面面积Ac,N应按下式计算：

式中，Scr,N为混凝土锥体破坏且无间距效应和边缘效应情况下，每个锚栓达到受拉承载力标准值的临界间距（mm），应取Scr,N=3hef；h ef为眼板埋入深度。

则极限破坏载荷为：

混凝土强度校核需要满足：F＞T，T为眼板受拉力。

图6 理想锥体破坏投影面面积示意图

5 设计实例

5.1 锚固基础重量计算

选取某海域平台锚泊系统作为设计目标，作业水深约40 m，海底水流速度1m/s，海底摩擦系数0.6，最大张力1 900 kN，安全系数1.5，C35 混凝土密度为2.5 t/m3，锚固基础初步设计长11.5 m、宽11 m、高3.5 m。矩形水流阻力系数魏1.5，根据公式（2）可知：

故水下重量为

考虑安全系数后锚固基础空气中重力为：

即设计空气重量为：

眼板卸扣销子直径d=160mm；眼板主板宽度W=700mm；眼板孔距离混凝土表面高度H=300mm；主板厚tm=80mm；主板顶部半径Rm=350mm；眼板颊板厚tc=45mm；眼板颊板半径Rc=200mm，眼板孔半径Rh=84mm侧板宽度Wg=500mm；侧板厚度

实际锚固基础体积约为440 m3、实际重量为1 100 t 满足设计重量要求。

5.2 吊装眼板强度校核

锚固基础重1 100 t，吊装眼板4 个，单个眼板竖向载荷2 695 kN，吊装最大角度85°，吊装眼板所受载荷2 705.3 kN，安全系数为2，故眼板校核载荷为5 410.6 kN。tg=45mm；材料屈服强度345 MPa。

（1）挤压应力校核

眼板孔挤压时总板厚：

由公式（7）可知挤压应力为：

许用挤压应力为：

（2）剪切应力校核

眼板有效剪切面积：

根据公式（9）可知剪切应力为：

许用剪切应力为：

（3）拉应力校核

眼板主板受拉面积：

根据公式（11）可知拉应力为：

许用拉应力为：

（4）弯曲应力校核

主要考虑平面内弯矩，绕X 轴惯性矩按公式（12）可知

水平分力：

力矩：

根据公式（13）弯曲应力为：

许用弯曲应力为：

图7 眼板设计示意图

5.3 锚体强度校核

依据GB50010 混凝土结构设计规范C35 混凝土轴心抗拉强度设计值ft=1.57MPa。根据设计吊装眼板埋入深度；根据可知临界间距。按公式（17）可知

按照公式（18）可知极限破坏载荷为：

锚体极限破坏载荷远大于眼板吊装载荷（5 410.6 kN），故满足锚体强度要求。

6 结 论

（1）大吨位混凝土锚固基础实际与土接触时不仅作用于接触面上，其侧面和剪力键对水平承载力都有一定的作用，但在现有计算公式中无法反映出复杂的土壤接触情况，更多需要依靠试验方法获取的摩擦系数进行保守计算，在公式中考虑了流体对于锚固基础的作用，但流体计算方法和工况较多，仍需要做进一步的研究。

（2）大吨位锚固基础的吊装是其使用中最重要的工况之一，嵌入锚体内部的眼板和锚体本身的结构强度直接关乎作业安全。通过计算案例详细介绍了眼板及锚体强度的校核方法可供参考，由于锚链连接眼板和吊装眼板形式相同且载荷相比较低则不再重复计算。

（3）大吨位锚固基础使用范围广，但由于体积和重量较大，不利于反复使用，较适用于固定式结构物的锚泊系固等长期使用的环境。