重力墩式圆沉箱基床顶应力三维分析研究

吉 明，周 玥

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430060）

引言

重力墩式圆沉箱结构由于其整体结构耐久性好、水阻小、泊稳及受力条件好、造价相对方沉箱较低等优点在外海地质条件较好区域应用广泛。

基床顶应力是衡量沉箱结构受力状态的一个重要指标，区别于岸壁式结构，大多数墩式沉箱码头结构的波浪、系缆力等均为非正向作用，即结构受斜向作用明显，传统的以单个方向计算基顶应力的方法存在一定的误差。本文结合工程实例采用三维分析的方法对重力墩式圆沉箱基顶应力进行分析，研究沉箱基顶合理的应力分布受力状态。

1 工程概述

某20 万t 级矿石码采用圆沉箱重力墩式结构，最南侧为单墩的独立沉箱结构。独立墩式沉箱外径为 13.8 m，沉箱高为 25.5 m，外壁厚0.45 m，内为十字型隔墙，厚度为0.25 m，底板厚度为0.8 m，外侧趾长为2.0 m。沉箱底部设置0.6 m 厚度的抛石基床，沉箱顶为预安扇形块、现浇块等构件，采用钢联桥与平台连接。码头前沿设两鼓一板SUC2250H 鼓型橡胶护舷，墩台顶均设2 柱1 500 kN 脱缆钩。

独立墩式沉箱结构平面布置及断面分别见图1、2所示。

图1 平面示意图

图2 断面示意图

1.1 设计水位

设计高水位4.64 m（高潮累积频率10 %的潮位）；设计低水位0.30 m（低潮累积频率90 %的潮位）；极端高水位5.69 m（重现期五十年的年极值高水位）；极端低水位-0.73 m（重现期五十年的年极值低水位）。

1.2 设计波浪

本工程设计波浪要素见表1。

表1 码头前沿50 年一遇波浪要素

2 墩式结构受力计算

考虑到墩式结构三维受力的特性，设计将所有受力折算到以南北方向为X 轴，东西方向为Y轴，沉箱底板为平面的坐标系中，底板中心为坐标原点，底板向下为Z 轴正向，如图3 所示。

图3 墩式结构受力图

所有结构受力与坐标轴方向一致为正，其中弯矩按右手法则考虑。

2.1 结构自重

表2 墩式结构自重计算表

2.2 船舶荷载[1]

表3 墩式结构船舶荷载

2.3 波浪力[2]

1）水平向波浪力

根据规范判定条件，不同设计水位条件下的D/L＜0.2，波浪对沉箱结构的水平作用采用小尺度柱计算。沉箱及上部结构所受最大水平向波浪荷载如下表所示。

表4 墩式结构最大水平向波浪荷载

2）波浪浮托力

由于规范中对小尺度柱全相位无浮托力计算公式，仅在满足惯性力为主的前提下，参考采用大尺度墩（柱）体的波浪浮托力计算。

根据复核计算，沉箱最大正向水平总波浪力对应的相位为270°，但根据附录Q 对应相位计算PU和MU均为负值，对应的墩底周边浮托力强度也为负值（波吸力作用），其浮托力及弯矩均产生与波浪水平向作用的反作用力，对结构受力有利。李炎保等[3]对墩式结构的波浪浮托力进行研究时也表明，最大水平向总波浪力与最大浮托力产生的相位不同步，因此为确保结构受力安全，浮托力采用规范附录Q 最大浮托力及相应弯矩进行计算。

表5 墩式结构波浪浮托力及弯矩计算表

3 基顶应力分析[4]

基床顶应力可按下式进行计算：

式中：σ为基床顶面应力标准值（kPa）；N为作用于基床顶面的竖向合力标准值（kN）；A为基床顶面截面面积（m2）；M为作用于基床顶面的偏心矩合力标准值（kN·m）；W为截面抗弯系数。

3.1 主要计算工况

在本工程中沉箱墩式结构设计中持久状况主要荷载作用种类包括自重力、波浪力、系缆力、撞击力等，以上作用按同时出现的可能，采用最不利情况进行组合计算。

组合工况1：自重力+波浪力（极端高水位：1-1；设计高水位：1-2）

组合工况2：自重力（设计高水位）+系缆力+逃逸波浪（系缆力1：2-1；系缆力2：2-2）

组合工况3：自重力+撞击力

3.2 应力分析

1）平面应力分析

基床顶应力采用平面分析时，弯矩不考虑绕Y 轴作用，计算结果见表6。

表6 沉箱结构基床顶应力平面分析计算表1

考虑本工程独立墩受波浪力、系缆力斜向作用明显，综合结构的安全性要求，将波浪、系缆作用方向调整为垂直中心轴方向受力进行计算（作用力垂直中心轴受力），计算结果见表7：

表7 沉箱结构基床顶应力平面分析计算表2

工况2-2 基顶最小应力出现负值，应进行基床顶应力重新分配计算。分配的原则满足平截面假定，其应力状况如图4 所示。图中D为沉箱底直径，Xd为应力分布范围，σmax为应力重新分配后的最大应力。通过等式(2)(3)联立求出：工况2-2 重新分配的最大基床顶应力σmax=564.2 kPa；Xd=15.411 m。

图4 应力图

2）三维应力分析

考虑波浪力、系缆力斜向作用，三维应力分析考虑X、Y 轴所受弯矩状况，将所有MX、MY弯矩进行数值叠加后根据平行四边形法则折合总弯矩M，并以此计算沉箱结构基顶应力，结果见表8。

表8 沉箱结构基床顶应力三维分析计算表

同样，根据公式（2）（3）核算，三维应力分析时工况 2-2 重新分配的最大基床顶应力σmax=548.7 kPa；Xd=15.79 m。

3）应力对比分析

a.采用平面应力分析沉箱基床顶应力由于忽略斜向波浪、系缆等荷载绕Y 轴作用弯矩，基顶应力明显偏小，设计时采用此计算模式偏于危险；

b.表7 计算数值将斜向作用的波浪力、系缆力折算到主应力受力方向，是一般工程常用的空间结构受力的简化计算方法，计算应力较按表8 按实际受力状况计算的应力值稍大，满足结构安全设计的要求；

c.按波浪力、系缆力斜向作用，分别考虑X、Y 轴所受弯矩状况，将MX、MY弯矩进行数值叠加后进行折合弯矩计算沉箱基顶应力方法，反应了沉箱基床的实际受力状况；

d.按沉箱基床的实际受力状况计算的应力重新分布的基顶最大应力548.7 kPa，较简化计算基顶最大应力减少15.5 kPa。

4 结语

1）三维分析基床顶应力的计算方法更符合工程实际，有条件时推荐采用。

2）将斜向作用折算到基顶主应力受力方向，是一般工程常用的重力墩式空间结构基顶受力的简化计算方法，计算结果偏于安全。

3）重力墩式结构忽略斜向荷载仅按单向受力计算基顶应力的模式明显偏于危险。

4）重力墩式沉箱结构三维受力特性明显，基顶最小应力出现负值应进行合理的应力重新分配计算。