扭王字块特性研究

金晓东

（中国铁建港航局集团有限公司海外分公司，广东 珠海 519000）

1 引言

扭王字块是一种广泛运用于港口工程中做护面块体的预制混凝土构件，摆放在防护结构的最外面一层，通过削弱波浪的冲击力保护内部结构主体。其外观由三个杆件组成，两端平行杆件及中间的正交杆件，很像中国字“王”字将中间一横水平旋转90°而得到的形体，所以被命名为“扭王字块”。尽管国内工程界使用扭王字块已经三十多年，但对扭王字块的来历出身、结构特点、施工特性并没有很好的认知或总结出普遍的规律。为此，本文将解答以上问题。

2 扭王字块体发明者及国内运用时间

关于扭王字块的发明问题，国内相关规范及大专院校教材均无介绍。通过查找网络搜索得知：1980 年，法国工程师索格雷（Sogreah）发明了新型防波堤护面块体Accropode，并于1996 年提出了专利申请，是为Accropode Ⅰ代。此后，广泛应用于港口、海岸工程之中。1999 年，索格雷（Sogreah）对Accropode Ⅰ代进行了改造，削去多余的混凝土并在外形上增加类似小金字塔的构造，命名为Accropode Ⅱ，并于2000 年申请获得了专利。由此，可知扭王字块是由法国人发明的。

查阅最早的1987 年版的《防波堤规范》(JTJ218-87)，里面并无关于扭王字块的使用介绍，而10 年之后的1998 年版的《防波堤设计与施工规范》（JTJ298－98）里面已经有两种扭王字块的介绍及运用：A 型（见图1）及B 型（见图3），其中A 型扭王字块和Accropode Ⅰ代一模一样。时间来到2018 年，最新的《防波堤与护岸设计规范》（JTS154-2018）（以下简称《规范》）中依然是A 型及B 型扭王字块，由此可知，扭王字块至少是在1987 年后才在我国开始应用的。

图1 Accropode Ⅰ（A 型）

图2 Accropode Ⅱ

图3 B 型扭王字块

3 扭王字块的体积公式推导

由上文得知，国内现行常用的扭王字块共有两种类型，分别为A 型（见图1）和B 型（见图3）。

根据《规范》，A 型的体积公式为VA=0.330h3，B型的体积公式为VB=0.265h3，本着求真务实的态度以B型扭王字块的体积公式为例进行推导。

图4 得知，B 型扭王字块体，其外形尺寸共有6 个参数，分别为h、a、b、c、d、e。

表1 B 型扭王字块外形尺寸系数关系

图4 B 型扭王字块立视图

可将B 型扭王字块的体积计算分成两部分：中间躯杆的体积及六个肢杆的体积，如图5 所示：

图5 B 型扭王字块体积分解图

中间躯杆的体积为长方体，每个肢杆的体积为四棱台体积减去四个小三角锥体积。计算公式如下（保留小数点后5 位）：

将a=0.333h，代入上式。上式可改写为：

B 型扭王字共有六个肢杆，肢杆体积公式：

3.1 计算肢杆四棱台的体积

将a=0.333h，b=0.217h，代入上式。上式可改写为：

3.2 计算肢杆四棱台切角三棱锥的体积

每个肢杆均有4 个削角，每个削角的体积可按三棱锥体积公式计算：

将a=0.333h，，e=0.025h 代入上式。上式可改写为：

B 型扭王字块的体积计算式可写作为：

A 型扭王字块的体积计算式推导过程和B 型类似，在此不再赘述，推导计算结果保留三位小数的情况下为，比理论计算公式。

4 扭王字块最优预制场地面积

工程实际当中，经常需要考虑预制场地的布置情况，如此在满足生产效率的前提下，最小的场地使用面积即可节约资金的投入。预制一块扭王字块，需要的最小场地面积是多少？以B 型扭王字块为例，结合最常采用立式成型预制工艺，对其所需最小预制面积进行研究。

由基础几何知识得知，在二维平面当中，面积一定，圆型的边长是所有几何图形当中最短的。

扭王字块预制场地面积由两部分组成：块体本身底面所占面积及相应的作业操作空间。

俯视扭王字块，可以看作一个“十字”，“十字”的两条中心交叉线相等且为扭王字块的高h，以h 做正方形，以正方形的对角线为直径画圆，该圆的面积即为预制一块扭王字所需场地的最小面积。如图6-a 所示。

图6 B 型扭王字块预制场地面积

根据此公式，在知道某型号扭王字块体总预制量、工期的情况下，即可合理规划预制场地的面积。实际应用中，将圆面积转化为正方形面积即可（见图6-b）。

5 堆存扭王字块最小场地面积

扭王字块预制好之后，需要将块体转存到堆放场地，“存”的目的是方便“取”。同样基于面积一定，圆周长最短的事实。俯视扭王字块，可以看作一个正交的“十字”，“十字”的水平边线和竖直边线均相等，且为扭王字块的高h，以“十字”交点为中心，边长为直径做圆，此圆型的面积即为堆存一块扭王字块所需的最小面积。

仍以B 型扭王字块为例，将其高度h 视为圆的直径，半径则为，则面积计算公式为求圆的面积：将，代入上式，计算得到。实际使用快速计算中可向上取（见图7-a）。实际应用中，将圆面积转化为5 个边长为0.4h 的正方形拼成的“十字”即可（见图7-b）。

图7 B 型扭王字块存放场地面积

由上面两问的解题研究过程得知：扭王字块预制场地最小面积为其体高为边的矩形的外切圆面积；扭王字块堆放场地最小面积为其体高为边的矩形的内切圆面积，且两者刚好是2 倍的关系。

6 陆上起重机安装扭王字块所需时间

陆上履带式起重机安装扭王字块是目前比较常见的一种施工工艺，其工艺特点是起重机站立在防波堤堤顶上，扭王字块已经运至起重器的起重半径范围内，进行吊装作业。

以青岛董家口港区某防波堤工程采用80t 履带式起重机定点随机逐块安放10t 扭王字块为例，按照现场写实法记录从起吊到安装完毕每个动作所需的时间。

80t 履带吊每安装一块10t 扭王字块时间为准备及挂钩1min，起吊1min、转动吊臂1min、GPS 定位1min、脱钩2min，共计1+1+1+1+2=6min。

如上所述，因实际施工中会遇到各种不确定因素，理论计算时需要考虑1.2～1.5 倍的不平衡系数，则安装一块10t 扭王字块体需要时间为：

其他型号扭王字块的安装时间测定均依据写实法，不再赘述，本文将港口工程常用的扭王字块，按体积大小分为3个区间分别给出安装所需时间参考值（见表2），实际运用时可参考使用。

表2 扭王字块施工参数表

7 结语

扭王字块作为水运工程运用量巨大的预制构件，在国民经济建设的进程中发挥了重要的作用。综上通过追溯其来历，探讨其结构特点，施工特性等内容，透过现象直达本质，找出客观规律，便于给类似工程项目提供参考，以上参数已在中国援加纳渔港综合设施项目上得到实践，证实了其有效性。文末已将上述相关参数归纳总结成表，便于快速查阅使用。