1 工程概況

仙人島位于營口市鲅魚圈港區(qū)南約14 km，仙人島港區(qū)是營口港規(guī)劃發(fā)展中的大型深水泊位區(qū)，水深條件較好，加之已建的南、北防波堤掩護，對港內進出船舶形成良好的靠泊條件。

30萬噸級原油碼頭工程是營口港仙人島港區(qū)啟動的第一個大型碼頭工程。工程地處仙人島港區(qū)南防波堤西側，距離口門大約196 m。工程規(guī)模為30萬噸級油碼頭1座，包括工作平臺1座，靠船墩4座，系纜墩6座，以上構筑物采用蝶形布置。各種工藝管線通過架設于工作平臺和南防波堤之間的管線橋及南防波堤上的管線橋墩與后方罐區(qū)相連。碼頭總長502 m，前沿設計水深為－25.0 m，工作平臺頂面高程為9.0 m，靠船墩與系纜墩的頂面高程為8.0 m。碼頭各構筑物之間以及工作平臺與防波堤之間采用桁架式和板梁式鋼橋連接。

2 自然條件

2.1 設計潮位（以當?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖?/h3>

極端高水位5.14 m，極端低水位-1.69 m，設計高水位4.00 m，設計低水位0.24 m。

2.2 波浪和水流

碼頭前使用期和施工期的波浪要素參見表1。施工期碼頭前沿水流速度為0.9 m/s。

表1 碼頭前波浪要素Table1 Waveparametersin front of wharf

2.3 地質條件

本工程區(qū)域強風化巖頂面標高在-28.0~-33.0 m左右，是良好的重力式結構地基持力層。

3 新型圓筒型沉箱結構的設計思路及碼頭結構方案

營口港鲅魚圈港區(qū)適應當?shù)馗劭诎l(fā)展的需要，于2005年前后投資建成了沉箱預制場場地，沉箱最大預制能力可以達到3 000 t，采用半潛駁下水工藝。根據(jù)仙人島港區(qū)油碼頭工程區(qū)域的地質條件，采用重力式結構是非常適宜的，而重力式沉箱墩結構又是一種較為合理、可行的結構形式。如果采用常規(guī)的重力式沉箱結構，現(xiàn)場面臨兩個難題：因工程項目為大型深水油碼頭，設計所需要的沉箱斷面尺度較大，超過了預制場的最大預制能力，且因油碼頭為仙人島港區(qū)啟動的第一個碼頭，進港航道尚未完全浚深，半潛駁出運過程中吃水無法滿足要求；如果采用沉箱現(xiàn)場接高的方式，因當時港區(qū)掩護所依托的南、北防波堤尚未建成，港區(qū)內缺乏良好的沉箱接高作業(yè)場地，根據(jù)事先安排的工期，沉箱接高過程中還需要度過冬季，這對尚未成型的薄壁混凝土構件又是一個嚴峻的考驗?；谏鲜鲈?，提出了一種可以降低混凝土用量的圓筒型沉箱結構，該結構既能滿足碼頭的使用和受力要求，又可利用現(xiàn)場的施工條件，達到因地制宜、增效節(jié)能的目的。

圓筒型沉箱的設計思路如下：只在沉箱下部局部高度范圍內設置隔墻，以加強底板剛度，減小底板和沉箱側壁彎矩，在上部較大高度范圍，沉箱僅為一個只有筒壁的圓筒型構件。在構造上，為保證上部沉箱壁的剛度，沿筒壁環(huán)向設置3條加強肋，在保證不破壞沉箱環(huán)向均勻受力的前提下，提高了整個沉箱的剛度。為減小底板應力，沉箱底板外側設置八角形趾。沉箱斷面尺寸參見圖1，單個沉箱重量為2 760 t。

圖1 圓筒型沉箱立面圖Fig.1 Vertical view of a cylindrical caisson

圓筒型沉箱是構成油碼頭各功能墩的基本部件。系纜墩和靠船墩均由1個獨立的直徑16 m的圓筒型沉箱構成，墩頂標高8.0 m，沉箱出水標高2.1 m，其上安裝預制鋼筋混凝土肋型板，上部現(xiàn)澆混凝土蓋板，在墩頂設4×1 500 kN或2×1 500 kN快速脫纜鉤，每個靠船墩上安裝1套兩鼓一板SC2500H型橡膠護舷。工作平臺尺度為42 m×42 m，由4個直徑16 m的圓筒型沉箱組成，沉箱出水標高2.1 m，每個沉箱上安裝預制鋼筋混凝土肋型板，各沉箱之間采用預制鋼筋混凝土箱型梁連接形成平臺結構。

4 沉箱穩(wěn)定及內力分析

4.1 穩(wěn)定計算

油碼頭布置形式多數(shù)與該工程相似，即為蝶形布置。系纜墩和靠船墩均為單個墩體，設置1組沉箱即可達到其使用要求。為滿足裝卸、輸送油品及供電、上水、消防等工藝要求和碼頭管理需要，工作平臺平面尺度較大，需要設幾組沉箱作為基礎。根據(jù)油碼頭的布置特點，在進行圓沉箱結構的穩(wěn)定計算時，沉箱所受波浪力須按照單個圓柱墩作用力計算[1]，同時，需要注意的是，由于相鄰沉箱墩之間間距較小，沉箱墩之間波浪的反射、繞射及后側南防波堤對波浪的反射作用會導致作用于沉箱的總水平力增加，即需要考慮沉箱的群墩系數(shù)。因此，由中交天津港灣工程研究院有限公司做了該碼頭的局部整體物理模型試驗，根據(jù)試驗結論[2]，在不同工況下，沉箱最大群墩系數(shù)為1.39。根據(jù)這一結論，并參照其他相關試驗[3]，對碼頭結構的各斷面進行了穩(wěn)定計算，結果均滿足規(guī)范[4]要求，計算出基床頂面最大應力為650kN/m2。

4.2 內力計算

各個沉箱墩所受的作用力主要為結構自重、系纜力、撞擊力、波浪力、筒內填料產(chǎn)生的貯倉壓力及上部工藝荷載，根據(jù)對不同墩體的各種工況的內力分析結果，可以得出，施工期波浪力主導作用時的工況為控制工況。為了說明該種結構的受力特點，本文以孤立的系纜墩為例，分析其在設計低水位時，在波浪力作用下，圓筒型沉箱承載能力極限狀態(tài)下的內力分布。

計算中，首先考慮了水流對于波浪的影響，根據(jù)規(guī)范[5]相關公式對表1中的波要素進行了修正。由于沉箱為一圓柱曲面，在不同相位時波浪作用于沉箱同一高度環(huán)向各點的波壓（吸）力是不同的，采用修正后的波要素進行計算，當相位角為210°時，作用于沉箱墩上的波吸力最大，在此相位時，波吸力（分項系數(shù)取1.5）和貯倉壓力（分項系數(shù)取1.35）組合后的作用力設計值參見表2。點上面，在此基礎上，采用有限元軟件對沉箱構件進行空間內力分析。

因圓沉箱墩為軸對稱結構，故僅給出軸對稱線其中一側計算結果，沉箱壁內力見圖2～圖5。

由計算結果可以看出，圓形沉箱的受力主要為膜應力，即主要表現(xiàn)為環(huán)向的拉應力及豎向的壓應力。在沉箱底板以上6.5 m有隔墻的位置處，環(huán)向彎矩在隔墻處為最大負彎矩，兩隔墻之間為最大正彎矩；側壁與底板的連接部位剛度較大，該處有應力集中現(xiàn)象，此處豎向彎矩最大，底板之上彎矩值驟減，但在環(huán)向加強肋的位置彎矩均出現(xiàn)了類似支座約束處的峰值，這說明環(huán)向加強

圖2 沉箱環(huán)向彎矩－計算點圓心角關系圖Fig.2 Relationship between circumferential bending moment and angle at center of calculated point of a cylindrical caisson

表2 承載能力極限狀態(tài)下作用效應組合設計值Table 2 Design value of action combination in ultimate limit state kN·m-2

圖3 沉箱環(huán)向膜應力－計算點圓心角關系圖Fig.3 Relationship between circumferential membrane stressand angle at center of calculated point of a cylindrical caisson

圖4 沉箱豎向彎矩－計算點高度關系圖Fig.4 Relationship between vertical bending moment and height of calculated point of a cylindrical caisson

圖5 沉箱豎向膜應力－計算點高度關系圖Fig.5 Relationship between vertical membranestressand height of calculated point of a cylindrical caisson

沉箱底板、側壁及隔板均采用板殼單元進行分析。沉箱的邊界約束為沉箱底板下面的彈性地基約束，豎向彈性地基系數(shù)取30 000～50 000 kN/m3，模擬沉箱與基床之間的摩擦作用，可在底板節(jié)點均勻施加一定的水平約束。將波吸力和貯倉壓力荷載簡化為各單元中心均載施加于沉箱側壁上，頂部自重荷載簡化為各節(jié)點集中力施加于頂部節(jié)肋的設置可以有效約束沉箱的變形，對加強沉箱的環(huán)向剛度很有意義；環(huán)向膜應力均為拉應力，這與計算工況中荷載為波吸力和貯倉土壓力有關；當波吸力最大時，沉箱整體傾覆的方向是指向波浪來的一側，這就導致了環(huán)向膜應力和豎向膜應力在沉箱不同位置處數(shù)值差異較大。根據(jù)以上計算結果，沉箱壁的配筋在豎向按照壓彎構件計算，在環(huán)向按照拉彎構件計算，底板按照純受彎構件計算，沉箱壁主筋采用HRB335熱軋鋼筋，直徑22 mm@200 mm，在應力集中的位置進行局部加強，最終單個沉箱含鋼量約為150 kg/m3，說明上述沉箱構件的尺度取值是較為合理的，內力大小與分布也比較符合該種圓筒沉箱的受力特性。

5 工程應用及其意義

上述圓筒型沉箱是一種新型結構形式，是碼頭設計中的一次新嘗試。它首次應用于營口港仙人島港區(qū)30萬噸級油碼頭深水泊位中。通過以上結構內力分析可以看出，該結構在技術上是科學的、合理的，混凝土用量較傳統(tǒng)的重力式沉箱節(jié)省，造價經(jīng)濟。更為重要的是，在碼頭設計水深較深，設計所需沉箱的結構尺寸較大，而工程所在地區(qū)沉箱預制能力不足，工程現(xiàn)場不具備成熟的沉箱接高條件，航道水深較淺，沉箱拖運存在困難的情況下，該種沉箱結構會顯示獨特優(yōu)勢。

6 結語

重力式圓筒型沉箱是一種新型結構形式，首次應用于大型深水油碼頭的工程建設。該種構件只在底板上部設置一部分隔墻，上部采用環(huán)向加強肋加強沉箱剛度，因此重量較一般沉箱輕，在節(jié)省混凝土、降低造價的同時，也更方便預制、拖運，可以節(jié)省前期施工費用。

油碼頭的功能要求決定了系纜墩、靠船墩和工作平臺頂面的使用荷載不大，不需要大型的船機設備，而且，油碼頭多為孤立墩結構，這對該種形式沉箱的應用提供了充分的空間。

該種沉箱形式將橫向彎矩轉化為膜應力，受力合理。目前，仙人島油碼頭工程已經(jīng)投產(chǎn)使用，運行狀態(tài)良好，希望通過該項工程的建設，使這種結構形式有更為廣闊的應用前景。