馮忠居，袁楓斌，李孝雄，尹洪樺，張福強(qiáng)，劉 闖，馬曉謙，吳敬武，孫平寬，蒙超榮

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海洋環(huán)境大直徑深長(zhǎng)樁基鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)作用組合的計(jì)算與分析

Calculation and Analysis of Action Combination for Design of Steel Casing of Large-diametered Deep Pile Foundation in Marine Environment

馮忠居1，袁楓斌1，李孝雄1，尹洪樺1，張福強(qiáng)2，劉 闖2，馬曉謙3，吳敬武4，孫平寬4，蒙超榮1

1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064

2. 海南省交通運(yùn)輸廳，海南 ?？?570000

3. 海南省公路勘察設(shè)計(jì)院，海南 海口 570000

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0 引 言

隨著跨海橋梁日益增多，大直徑橋梁樁基及其相關(guān)設(shè)施的作用組合計(jì)算逐漸成為熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，相關(guān)專家對(duì)海洋環(huán)境下橋梁墩柱承受的風(fēng)荷載、波浪荷載、水流力等的計(jì)算進(jìn)行了相關(guān)探索與總結(jié)[1]。1983年Troesch等人對(duì)1：115的半潛式海洋平臺(tái)模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，計(jì)算了作用在其上的風(fēng)荷載。時(shí)軍[2]利用簡(jiǎn)諧波疊加法計(jì)算了模型的脈動(dòng)風(fēng)荷載，得到了風(fēng)作用時(shí)段內(nèi)模型構(gòu)件的瞬時(shí)風(fēng)荷載，并對(duì)其做了統(tǒng)計(jì)分析。陳小波等[3]基于Morison方程和流函數(shù)理論計(jì)算了近海風(fēng)機(jī)非線性波浪荷載，并研究了波浪自由面對(duì)近海風(fēng)機(jī)非線性波浪荷載的影響，同時(shí)探討了不同樁徑下淺水區(qū)非線性波浪荷載的特性。劉德輔等[4]在大量試驗(yàn)和海上實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)Morison公式中的速度力系數(shù)、慣性力系數(shù)的取值進(jìn)行了不確定性分析，得到了相應(yīng)的協(xié)方差，該值對(duì)海洋工程概率設(shè)計(jì)及可靠性分析具有重要意義。李玉成[5]探討了將環(huán)境條件差異而造成水動(dòng)力系數(shù)的變化歸化為Kc數(shù)的恰當(dāng)定義和不規(guī)則波、特征波的恰當(dāng)選用，從而得到規(guī)則波與不規(guī)則波、純波與波流共存不同條件下歸一化的水動(dòng)力系數(shù)Cd、Cm與Kc數(shù)的相關(guān)結(jié)果。 張建龍[6]運(yùn)用流場(chǎng)分析軟件Fluent對(duì)洪水期水流形態(tài)下橋梁下部樁柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬分析，得到了超臨界區(qū)雷諾數(shù)水流形態(tài)情況下單樁以及不同樁凈距與樁直徑之比（L/D）下串聯(lián)雙樁和串聯(lián)三樁的樁周水流特征。 陳云鶴等[7]考慮錨鏈?zhǔn)艿降乃髁蛷椥宰冃蔚挠绊懸蛩?，將各點(diǎn)的靜力平衡方程相互疊加，建立了錨鏈力方程并進(jìn)行了算例的計(jì)算。姚文偉等[8-10]重點(diǎn)討論了承臺(tái)對(duì)樁基上波浪力的影響，給出了承臺(tái)下樁柱的波浪力變化規(guī)律，同時(shí)針對(duì)某典型樁基結(jié)構(gòu)布置形式給出了承臺(tái)效應(yīng)系數(shù)和群樁系數(shù)隨相對(duì)水深、無(wú)量綱承臺(tái)半徑、相對(duì)吃水深度等參數(shù)的變化規(guī)律。

由于海洋環(huán)境中的橋梁樁基礎(chǔ)均采用鋼護(hù)筒，因此，在樁基成樁前綜合分析鋼護(hù)筒承受的多種作用力組合是確保樁基礎(chǔ)順利施工的關(guān)鍵。

1 工程概況

鋪前大橋跨越鋪前灣，于后溪村西北角進(jìn)入北港島，沿島西北部展線，二次跨越鋪前灣，在塔市落地，穿過(guò)養(yǎng)殖場(chǎng)后，同?？谑幸?guī)劃的江東大道二期相接，路線總長(zhǎng)5.597 km，其中鋪前大橋?yàn)樵擁?xiàng)目的控制性工程，全長(zhǎng)3.959 km。鋪前大橋?yàn)椋?30 m+230 m）兩跨獨(dú)塔鋼箱梁斜拉橋，其中主墩基礎(chǔ)采用2個(gè)分離式承臺(tái)，在單個(gè)承臺(tái)下呈行列式布置，每個(gè)承臺(tái)下采用16根D4.3 m、D4.0 m鋼管復(fù)合樁，左側(cè)樁長(zhǎng)38 m，右側(cè)樁長(zhǎng)29 m，按端承樁設(shè)計(jì)，樁尖持力層為微風(fēng)化花崗巖，并嵌入微風(fēng)化巖層不小于13 m。鉆孔樁采用C35混凝土，單樁混凝土設(shè)計(jì)方量為511.7 m3（388.9 m3），鋼管與鋼筋混凝土共同組成樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主體共同受力。主筋為HRB400的Φ36 mm鋼筋，主筋間采取滾扎直螺紋連接，單根樁最大鋼筋籠重85 t。主墩鉆孔樁具體參數(shù)見(jiàn)表1。

（1）波向。以偏北向浪為主，N—NNE—NE方向的波浪出現(xiàn)率為64%，其中NNE向浪最多，占29%；其次為N向和NE向，分別為18%和17%；其他方位波浪出現(xiàn)較少，各向頻率均小于5%。累年各波向頻率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

（2）波高。海域波浪平均高度以NNE、NE和W向?yàn)榇螅瑸?.7 m，其余各向平均波高較小，為0.3～0.6 m。最大波高以N向最大，達(dá)3.5 m；而SSW、ESE和SE向較小，為0.6～1.0 m。累年各波向平均波高、最大波高統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表1 主墩鉆孔樁具體參數(shù)

表2 累年月風(fēng)浪、涌浪頻率 %

表3 累年各波向頻率 %

表4 累年各波向平均波高、最大波高 m

（3）周期。偏北向浪周期較長(zhǎng)，為3.7～4.0 s，偏南向浪周期較短，為2.7～3.3 s。累年月平均波高、最大波高、月平均周期、最大周期見(jiàn)表5。

表5 累年月平均波高、最大波高、平均周期、最大周期

根據(jù)2年波浪觀測(cè)資料，按港工規(guī)范要求推算出50年重現(xiàn)期的波浪要素：波高（H4%）為3.4 m，周期為6.6 s；20年重現(xiàn)期的波浪要素：波高（H4%）為3.2 m，周期為6.3 s。

2 鋪前大橋大直徑深長(zhǎng)樁基鋼護(hù)筒海洋環(huán)境作用的計(jì)算

當(dāng)鋼護(hù)筒埋置在軟土層中，僅考慮保護(hù)井壁的作用時(shí)忽略海水浮力以及由地層自重產(chǎn)生的樁側(cè)土壓力，鋼護(hù)筒的受力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 鋼護(hù)筒受力狀態(tài)

鋪前大橋大直徑鋼護(hù)筒所承擔(dān)的橫向荷載主要與所處的海洋環(huán)境有關(guān)，包括風(fēng)力荷載、波浪荷載、洋流荷載、冰荷載等荷載的組合。海洋環(huán)境水平荷載組合的抗力為地基對(duì)護(hù)筒的橫向支承力。本文主要對(duì)鋪前大橋大直徑鋼護(hù)筒所承擔(dān)的橫向荷載進(jìn)行計(jì)算分析。

大直徑鋼護(hù)筒所受海洋環(huán)境荷載組合的計(jì)算公式為

式中：Hmax為護(hù)筒最大橫向荷載；FD為平均風(fēng)荷載；f為波浪荷載；P為冰荷載；F1為水流力。

綜上所述，核磁共振診斷膝關(guān)節(jié)半月板損傷的效果顯著，通過(guò)膝關(guān)節(jié)半月板形態(tài)、信號(hào)改變等判斷損傷程度，為臨床診治提供依據(jù)。

2.1 平均風(fēng)荷載計(jì)算

鋪前大橋鋼護(hù)筒承受的平均風(fēng)荷載為

式中：由于鋼護(hù)筒高度小于30 m，風(fēng)振系數(shù)βz近似取1；鋼護(hù)筒表面為圓柱形，風(fēng)荷載體型系數(shù)μS取0.8；鋪前大橋鋼護(hù)筒所處區(qū)域?yàn)锽類場(chǎng)地，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz取1；查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001）可知，海南地區(qū)?？谑谢撅L(fēng)壓ω0為0.75 kN?m－2。最后計(jì)算可得FD為0.6 kN?m－2。

2.2 波浪荷載計(jì)算

采用Morison法對(duì)鋪前大橋鋼護(hù)筒承受的波浪荷載進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中假定鋼護(hù)筒尺寸相比于波浪長(zhǎng)度較小，并不影響波浪場(chǎng)。波浪荷載由2部分組成，即慣性力和速度力。其中迎波面寬度與波長(zhǎng)比值大于0.2，故采用流體的繞射理論計(jì)算，計(jì)算中認(rèn)為鋼護(hù)筒全寬上流體壓力梯度不變，速度分力PD與慣性分力P1的計(jì)算公式分別為

其中：CD為速度力系數(shù)，CM為慣性力系數(shù)，綜合文獻(xiàn)資料，選取颶風(fēng)Edith期間實(shí)測(cè)資料計(jì)算所得CD、CM分別為0.77、1.53；為海水容重，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取1 032 kg?m－3；H為計(jì)算波高，按港工規(guī)范要求推算出的50年重現(xiàn)期的波浪要素，波浪（H4%）為3.4 m；D為鋼護(hù)筒迎波面寬度，為4.3 m；A為鋼護(hù)筒截面面積，為1.95 m2。計(jì)算可得PD為19.75 kN，P1為17.80 kN。

2.3 水流壓力計(jì)算

鋪前大橋大直徑鋼護(hù)筒承受水流力為

式中：k為形狀系數(shù)，取1；r為海水容重，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取1 032 kg?m－3；A為構(gòu)件截面面積，取37.68 m2；v為水流流速，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試取0.9 m?s－1；g為重力加速度，取9.8m?s－1。計(jì)算可得F1為1.607 kPa?s－1。

3 作用組合計(jì)算

對(duì)鋪前大橋大直徑鋼護(hù)筒進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，選用基本作用組合類型，即永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)的組合，其表達(dá)式為

1.1 ，其余可變作用取1.4。

對(duì)風(fēng)荷載、波浪荷載及水流壓力進(jìn)行作用組合計(jì)算，得到海洋環(huán)境大直徑深長(zhǎng)樁基鋼護(hù)筒承載能力極限狀態(tài)的作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值為43.59 kN?m。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托鋪前大橋?qū)嶓w工程對(duì)海洋環(huán)境特大型橋梁大直徑深長(zhǎng)樁基鋼護(hù)筒荷載組合進(jìn)行計(jì)算，主要結(jié)論如下。

（1）規(guī)范中給出的風(fēng)荷載計(jì)算方法的準(zhǔn)確性主要取決于大直徑鋼護(hù)筒所處區(qū)域場(chǎng)地土類型的判別及基本風(fēng)壓值的選取。

（2）采用Morison法對(duì)鋪前大橋鋼護(hù)筒承受的波浪荷載進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，鋪前大橋大直徑鋼護(hù)筒承受的波浪荷載中速度分力大于慣性分力，超出了11%。由此可見(jiàn)，海水波浪速度大小對(duì)大直徑鋼護(hù)筒所承受的波浪荷載影響較大。

（3）海洋環(huán)境中，鋼護(hù)筒所承受的橫向荷載更加復(fù)雜，影響因素更加多樣化，包括風(fēng)力荷載、波浪荷載、洋流荷載等。為防止鋼護(hù)筒發(fā)生形變，提高鋼護(hù)筒抵抗橫向變形的能力，可在第一節(jié)頂部設(shè)置環(huán)鋼帶，并在之后的管節(jié)設(shè)置剪力環(huán)。

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海南省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（HNZXY2015-045R）