張冠群 孔令臣

摘 要：以海河內(nèi)某游艇碼頭為例，通過Autodesk Robot建立浮橋定位樁計(jì)算空間有限元模型，對游艇碼頭定位樁內(nèi)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，為今后游艇浮碼頭定位樁設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：浮泊位;定位柱;Autodesk Robot

目前有關(guān)游艇浮碼頭的設(shè)計(jì)，尤其是對于水平力作用下游艇碼頭浮橋定位樁內(nèi)力的計(jì)算，規(guī)范中尚無明確的計(jì)算方法。本文以天津海河內(nèi)某游艇碼頭設(shè)計(jì)為例，利用有限元分析軟件Autodesk Robot對游艇碼頭定位樁內(nèi)力進(jìn)行空間有限元數(shù)值分析，計(jì)算定位樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力，希望該計(jì)算思路能為今后游艇浮碼頭定位樁設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某工程共建設(shè)泊位40個，包括建設(shè)2個32m水上巴士泊位、36個游艇泊位和2個32m游船泊位。其中，游艇泊位北區(qū)由北至南依次布置5個18m長游艇泊位、6個15m長游艇泊位、5個12m長游艇泊位。主浮橋?qū)挾葹?m，長度為106.7m，支浮橋?qū)挾葹?.5m。主浮橋南側(cè)設(shè)1座聯(lián)系橋，寬1.2m，長度為8m，接岸結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為2.6m，結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

游艇泊位均采用浮箱結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)段長度為12m，結(jié)構(gòu)段之間采用鉸接。浮箱采用高密度聚乙烯樹脂（HDPE）浮箱，浮箱內(nèi)填充EPS塊，通過鋁合金框架連接，鋪面采用防腐處理的木板。

定位樁采用Φ600mm鋼管樁，樁頂標(biāo)高為3.5m，樁底標(biāo)高-26.5m，樁基入土深度約18m。浮箱與定位樁之間采用抱樁器進(jìn)行連接，允許水位漲落時，浮箱隨之漲落。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1風(fēng)

本工程區(qū)域風(fēng)玫瑰圖如圖5所示：

各方位不同重現(xiàn)期的最大風(fēng)速見表1。

2.2水文

2.2.1設(shè)計(jì)水位

海河常水位：1.0～1.5m

景觀水位：1.5m

海河下游最高通航水位：2.5m

海河下游最低通航水位：0.52m

2.2.2波浪

擬建工程水域位于海河以內(nèi)，掩護(hù)良好，波浪影響甚小。

2.2.3水流

由于海河入?？谠O(shè)有節(jié)制閘防止海水倒灌，海河內(nèi)無潮流。據(jù)調(diào)研，夏季開閘泄洪時海河內(nèi)的最大流速可達(dá)1.54m/s。

2.3冰況

本工程中碼頭在運(yùn)營期間冰期采用除冰措施，設(shè)計(jì)中不考慮浮冰對定位樁的影響。

2.4工程地質(zhì)

本工程區(qū)域各層土水平方向總體分布較均勻、穩(wěn)定，泥面標(biāo)高自上往下依次為②淤泥、層底標(biāo)高-9.53m～-10.03m;⑥c淤泥質(zhì)粘土，層底標(biāo)高-14.14m～-15.13m;⑦粉質(zhì)粘土，層底標(biāo)高-17.73m～-18.53m;⑧粉質(zhì)粘土，層底標(biāo)高-22.83m～-25.33m;⑨粉土、粉砂，層底標(biāo)高-30.33m～-32.03m;⑩粉砂，層底標(biāo)高-m～-20.44m。其中，⑨、⑩土質(zhì)較好、強(qiáng)度較高、分布較均勻，可作為擬建工程的樁基礎(chǔ)樁端持力層，工程地質(zhì)剖面圖見圖6。

本工程樁基極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik、極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk、液性指數(shù)IL、樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m見表2：

3 設(shè)計(jì)荷載

定位樁所受內(nèi)力主要來自浮橋上作用的水平力，水平力由風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的船舶荷載及作用在浮箱和定位樁上的水平向水流力組成。

3.1船舶荷載

本工程浮橋系纜力為控制船舶荷載，故本文僅計(jì)算由風(fēng)流作用所產(chǎn)生的船舶系纜力以及浮橋受到的風(fēng)荷載、水流力，本工程北區(qū)游艇泊位設(shè)計(jì)船型分別為18m、15m、12m長游艇，船舶尺寸見《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165-7-2014）。

根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165-7-2014）要求，設(shè)計(jì)風(fēng)速的重現(xiàn)期采用50年一遇，設(shè)計(jì)流速應(yīng)采用結(jié)構(gòu)所處在范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大平均流速。由于通常條件下海河無水流流動，僅在夏季開閘泄洪時海河內(nèi)的最大流速可達(dá)1.54m/s。因此，在計(jì)算系纜力、浮橋上的風(fēng)荷載、水流力時考慮以下兩種組合：（1）50年一遇風(fēng)速，海河未泄洪;（2）6級風(fēng)風(fēng)速，海河泄洪。

游艇系纜力、浮橋上的風(fēng)荷載按《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，水流力按《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165-7-2014）有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算18m、15m、12m長游艇荷載見表3：

每個浮橋結(jié)構(gòu)段可布置多艘游艇，受遮擋效應(yīng)影響，相鄰泊位下風(fēng)向的游艇所承受的風(fēng)荷載將小于上風(fēng)向的游艇。遮蔽效應(yīng)按照《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165-7-2014）的規(guī)定完全遮擋的下風(fēng)船其風(fēng)荷載可取無遮擋時的30%，而無遮擋時的風(fēng)荷載按100%考慮。

由于規(guī)范中的遮蔽效應(yīng)規(guī)定的是完全遮擋的下風(fēng)船的情況，當(dāng)船只在浮橋上間隔停泊時，船只之間還存在較大的間距，如18m長的游船，間隔停泊時兩船間距8.7m左右，計(jì)算中認(rèn)為該情況下下風(fēng)向船舶不再受到上風(fēng)向船舶的遮擋。本工程浮橋定位樁計(jì)算時，考慮兩種游艇停泊方式：①浮橋全部停泊船只，下風(fēng)向船按完全遮擋;②浮橋上船只間隔布置，不考慮上風(fēng)向船只的遮擋作用。間隔布置的示意圖如圖7所示：

3.2水流力

定位樁上受到的水流力計(jì)算按照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。

4 數(shù)值模型的建立

4.1數(shù)值模型的建立

本工程通過采用Autodesk Robot建立游艇碼頭浮橋及定位樁空間計(jì)算模型，定位樁采用梁單元，浮橋采用板單元，樁土相互作用通過在樁上設(shè)置彈性地基單元實(shí)現(xiàn)，彈性地基系數(shù)k根據(jù)m法計(jì)算確定。計(jì)算模型如圖8所示：

由于Robot中板單元無法直接添加集中荷載，模型中系纜力考慮轉(zhuǎn)換為船體與浮箱接觸范圍內(nèi)均布線荷載施加在浮橋上，具體施加方式如圖9所示：

4.2數(shù)值模型的相關(guān)簡化

由于游艇碼頭浮箱平面布置較為靈活、浮箱面積較大、單元較多，因此在建模計(jì)算時需對計(jì)算模型進(jìn)行若干簡化。

4.2.1定位樁與抱樁器的連接

為了保證浮橋結(jié)構(gòu)能夠隨水位變化而上下浮動，抱樁器與定位樁之間一般留有一定的間隙，若模型中考慮間隙的存在計(jì)算模型復(fù)雜且不容易收斂，因此本計(jì)算模型假設(shè)定位樁與抱樁器之間的連接為理想的鉸接約束。但是在樁基水平受力條件下，由于縫寬位移的存在，樁基變位有所增加，致使樁基受到的內(nèi)力相應(yīng)增大，因此Robot模型計(jì)算出的內(nèi)力值應(yīng)乘以一個單樁受力增大系數(shù)。根據(jù)《游艇碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165-7-2014）7.5條文說明，單樁受力增大系數(shù)介于1.06～1.60之間。本工程單樁受力增大系數(shù)取1.30。

模型中樁與板的節(jié)點(diǎn)處設(shè)置柔性連接，釋放樁節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)動方向上的約束，形成鉸接連接。

4.2.2浮橋

游艇浮橋是由若干浮箱相接，浮箱漂浮在水中，浮箱抱樁器與定位樁之間留有空隙，浮箱受到的豎向荷載與浮力平衡，浮箱僅傳遞水平荷載給定位樁。浮箱之間通過鋁合金框架連接，形成一個浮橋整體。在水平受力方向上，浮橋結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于定位樁剛度，因此在計(jì)算模型中，將浮箱及其上部的鋁合金框架作為一個整體，結(jié)構(gòu)采用剛性板。

Robot中剛性板單元不設(shè)置有限元單位，面板無需考慮板厚，即面板的自重不參與計(jì)算，單元僅進(jìn)行傳遞荷載及連接功能，可對荷載傳遞模式和板節(jié)點(diǎn)連接模式進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)上述簡化，抱樁器按鉸接處理，模型中板節(jié)點(diǎn)考慮柔性支撐，釋放板節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)動方向上的約束，形成鉸接連接。板單元計(jì)算模型設(shè)置見圖10：

5 計(jì)算結(jié)果

通過對兩種停泊布置分別建模計(jì)算，游艇間隔停泊不考慮上風(fēng)向船只遮擋的布置方式最為不利，通過分析計(jì)算結(jié)果，浮橋由于其結(jié)構(gòu)布置不均勻性，使得定位樁受力呈現(xiàn)空間分布特點(diǎn)，在樁基強(qiáng)度校核中應(yīng)考慮樁基的復(fù)合受力模式。作用在樁基上的軸力、彎矩分布如圖11～14所示，圖中內(nèi)力數(shù)值為Robot 模型計(jì)算值，未乘以單樁受力增大系數(shù)1.30。

考慮由于抱樁器間隙引起的單樁受力增大系數(shù)1.30，作用于樁基上最大彎矩Mx=817.01 kN·m，最大彎矩My=47.67 kN·m，最大剪力149.05kN。

6 與單樁水平向承載力計(jì)算方法的比較

對于浮碼頭定位樁計(jì)算，不采用有限元的計(jì)算方法時，可考慮每艘船的系纜力由該支浮橋上的定位樁承受，定位樁內(nèi)力按水平力作用下的單樁內(nèi)力計(jì)算。

以18m游船為例，該游船?？恐Ц蛏喜贾脙筛ㄎ粯叮Ц蛩芩髁?、游艇系纜力由支浮橋上兩根樁共同承擔(dān)，考慮兩樁之間受力不均勻，水平力應(yīng)考慮乘以不均勻系數(shù)1.50。樁基內(nèi)力通過采用豐海SPCZL單樁水平承載力計(jì)算軟件計(jì)算，樁土相互作用采用m法，計(jì)算結(jié)果見圖15：

通過表4可以看出，與Robot計(jì)算結(jié)果相比，單樁水平受力計(jì)算方法中樁基頂端自由，沒有考慮到實(shí)際狀況定位樁在浮箱處受抱樁器約束，定位樁泥面以上為懸臂結(jié)構(gòu)，故計(jì)算出的樁基內(nèi)力偏大。同時定位樁受力只考慮浮橋臨近的樁基，通過荷載乘以不均勻系數(shù)體現(xiàn)受力不均勻性，該計(jì)算方法中可能無法準(zhǔn)確的反映出樁基受力空間分布，計(jì)算結(jié)果明顯偏保守;Robot建模計(jì)算中，計(jì)算模型反映出浮橋?qū)痘敹说募s束，同時該計(jì)算模型為空間模型，作用在浮橋上的水平荷載通過浮橋傳遞給各定位樁，能更準(zhǔn)確反映出荷載在各定位樁之間的分布。因此，綜上考慮本文認(rèn)為采用Robot建模計(jì)算定位樁內(nèi)力為一種更合理的計(jì)算方法。

7 結(jié)語

目前浮泊位定位樁內(nèi)力規(guī)范中沒有明確的計(jì)算方法，在設(shè)計(jì)過程中缺少相應(yīng)的計(jì)算依據(jù)。本文依托天津海河某游艇碼頭，介紹了采用有限元軟件Robot進(jìn)行游艇浮泊位定位樁內(nèi)力計(jì)算的計(jì)算思路，詳細(xì)闡述了計(jì)算過程中設(shè)計(jì)荷載計(jì)算以及建模過程中的簡化考慮。由于本工程暫未完成，該計(jì)算方法目前還缺少相應(yīng)的實(shí)際使用觀測資料進(jìn)行驗(yàn)證，希望本文提出的計(jì)算思路能對今后的相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）;

[3] 《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 146-2012）.