一種新型沉箱插板結(jié)構(gòu)的探討

司銀云，吳文聰，王廣賢

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州 510230)

重力式結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)久耐用，常用于巖基地質(zhì)條件下的碼頭、護(hù)岸及防波堤等水工結(jié)構(gòu)。作為重力式結(jié)構(gòu)中較為常見的一種，為適應(yīng)各種復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)條件，沉箱結(jié)構(gòu)陸續(xù)發(fā)展出不少新型的改良結(jié)構(gòu)[1-5]。本文提出一種適用于連片直立式碼頭或護(hù)岸的新型沉箱插板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)沉箱兩側(cè)之間預(yù)留插板卡槽，并在卡槽內(nèi)設(shè)置插板，通過海測(cè)及陸側(cè)兩個(gè)方向的卡槽與插板把沉箱間隔連接成片，形成連片式結(jié)構(gòu)。前后兩道插板之間填充二片石與混合倒濾層以防止后方回填料泄漏。該結(jié)構(gòu)沉箱混凝土用量較少，結(jié)構(gòu)受力明確，沉箱預(yù)制及安裝數(shù)量較少，總體工程造價(jià)較低，可為同類工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。以下將結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 工程概況

某項(xiàng)目建設(shè)1個(gè)3 000 t級(jí)件雜貨泊位，碼頭頂高程6.0 m，底高程-8.60 m。項(xiàng)目地質(zhì)勘察報(bào)告揭示碼頭區(qū)域不存在軟弱土層，其典型地質(zhì)土層分布為兩層，其中上部覆蓋層為粘性土混碎石，下臥基巖為強(qiáng)風(fēng)化巖，地基承載力較好。根據(jù)該地質(zhì)條件，碼頭適宜采用重力式結(jié)構(gòu)。受限于工期及施工機(jī)械起吊能力不超過500 t的限制，在考慮碼頭結(jié)構(gòu)時(shí)，方塊預(yù)制安裝數(shù)量較多不滿足工期要求，多隔艙的大沉箱結(jié)構(gòu)超重?zé)o法起吊，因此推薦了小型沉箱結(jié)構(gòu)方案，其典型斷面詳見圖1。碼頭基礎(chǔ)采用10～100 kg拋石基床，基床底部為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖?；采喜堪卜懦料?，沉箱內(nèi)部拋填1～100 kg塊石，沉箱頂部設(shè)置1.2 m厚的卸荷板，卸荷板懸臂長(zhǎng)度為2.0 m，卸荷板上部澆筑胸墻(與前軌道梁一體)。沉箱后方回填含泥量<5%的開山土石，胸墻及卸荷板后方設(shè)置混合倒濾層。碼頭后方回填砂與沉箱后方回填開山土石之間設(shè)置二片石及混合倒濾層過渡，以減少后方回填砂泄漏。

2 新型沉箱插板結(jié)構(gòu)

2.1 沉箱插板結(jié)構(gòu)的提出

為配合吊裝施工需求，對(duì)圖1中傳統(tǒng)沉箱結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行了優(yōu)化，提出了對(duì)傳統(tǒng)沉箱之間倒濾腔進(jìn)行局部擴(kuò)展的一種新型沉箱插板結(jié)構(gòu)，其平面布置圖詳見圖2，即碼頭上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)保持不變，在沉箱兩側(cè)之間預(yù)留插板卡槽，并在卡槽內(nèi)設(shè)置插板，通過海測(cè)及陸側(cè)兩個(gè)方向的卡槽與插板把沉箱間隔連接成片，形成連片式結(jié)構(gòu)，前后兩道插板之間填充二片石與混合倒濾層以防止后方回填料泄漏。該結(jié)構(gòu)在滿足結(jié)構(gòu)受力及使用功能前提下，有效地減少了結(jié)構(gòu)預(yù)制與安裝件數(shù)、混凝土用量，降低了工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

圖1 碼頭典型斷面圖(高程單位：m，尺寸單位：mm)Fig.1 Typical section of wharf

圖2 沉箱插板結(jié)構(gòu)平面布置圖(尺寸單位：mm)Fig.2 Layout of caisson-inserted structure

2.2 沉箱插板結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

與傳統(tǒng)沉箱方案相比，該沉箱插板式結(jié)構(gòu)在相鄰兩沉箱之間設(shè)置插板，形成了四周圍蔽的無底結(jié)構(gòu)，插板與沉箱通過上部胸墻連接在一起，減少沉箱使用數(shù)量，從而減少沉箱混凝土用量及預(yù)制安裝數(shù)量。表1給出了兩種不同方案碼頭主體結(jié)構(gòu)的工程量。

表1 工程量表Tab.1 Engineering quantities

由表1可知，該項(xiàng)目中(碼頭長(zhǎng)132 m)沉箱插板方案比傳統(tǒng)沉箱方案少用4件沉箱，主體結(jié)構(gòu)混凝土用量節(jié)省493.7 m3。

2.3 沉箱插板結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)

在沉箱插板結(jié)構(gòu)中，碼頭沉箱頂部及前后插板頂部均伸入現(xiàn)澆卸荷板內(nèi)，碼頭上部胸墻結(jié)構(gòu)在縱向上連續(xù)澆筑。因此，在結(jié)構(gòu)受力上，相鄰沉箱與倒濾腔形成一個(gè)整體，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)外力。該結(jié)構(gòu)中倒濾腔為無底結(jié)構(gòu)，而兩側(cè)沉箱豎向剛度遠(yuǎn)大于前后插板的豎向剛度。因此，碼頭上部豎向荷載考慮全部由沉箱承擔(dān)，前后插板僅考慮承擔(dān)水平荷載(擋浪、擋土)。

沉箱插板結(jié)構(gòu)的計(jì)算內(nèi)容主要包括兩部分，一是對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定(抗傾抗滑)、基床應(yīng)力及碼頭沉降計(jì)算，二是對(duì)沉箱各壁板及插板的內(nèi)力計(jì)算。下面將對(duì)沉箱插板結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)沉箱結(jié)構(gòu)的受力做對(duì)比計(jì)算，得出新結(jié)構(gòu)的受力特性，以便為日后工程參考。

荷載條件：自重，鋼筋混凝土重度25 kN/m3；均載q=20 kPa；Mh-40-35門機(jī)；系纜荷載：450 kN系船柱；波浪力：極端低水位的設(shè)計(jì)波要素(H1%=4.35 m，T=7.6 s，L=71.4 m)。

計(jì)算工況：結(jié)構(gòu)的計(jì)算工況見表2。

表2 計(jì)算工況Tab.2 Calculation cases

2.3.1 整體穩(wěn)定計(jì)算

該結(jié)構(gòu)抗滑計(jì)算時(shí)與傳統(tǒng)有底沉箱一樣，抗傾計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定力矩考慮兩側(cè)沉箱的穩(wěn)定力矩加上中間倒濾腔填料的穩(wěn)定力矩。中間倒濾腔為無底結(jié)構(gòu)，其腔內(nèi)填料起抗傾作用的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]計(jì)算或采用數(shù)值模擬方式[7]計(jì)算。規(guī)范中，貯倉壓力的計(jì)算參考方法如下

GR=W0-ARσz

(1)

式中：GR為腔內(nèi)起抗傾作用的填料重力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；W0為腔內(nèi)填料自重力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；AR為填料與基床直接接觸面積，m2；σz為直接作用在基床上的填料接觸應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。當(dāng)倉為矩形時(shí)，σz按下列公式計(jì)算

(2)

(3)

在考慮波浪對(duì)結(jié)構(gòu)底部的浮托力時(shí)，僅考慮兩側(cè)沉箱底板的范圍，無底倒濾腔不考慮波浪浮托力作用；在沉箱基床應(yīng)力計(jì)算時(shí)，考慮全結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度(兩沉箱縱向長(zhǎng)度+倒濾腔寬度)范圍內(nèi)的豎向荷載；倒濾腔中的前后插板為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，其中前插板受波浪作用及倒濾腔回填料的貯倉壓力作用，后插板承受后方回填料土壓力作用、倒濾腔回填料的貯倉壓力作用及剩余水壓力。結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of overall stability for structure

從表3可知，沉箱插板結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)沉箱結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定受力、基床應(yīng)力及結(jié)構(gòu)沉降均滿足規(guī)范要求。兩種結(jié)構(gòu)在整體穩(wěn)定性上差異不大，差異主要在于基床應(yīng)力方面，在同等豎向荷載條件下，沉箱插板結(jié)構(gòu)的基床應(yīng)力比傳統(tǒng)沉箱結(jié)構(gòu)大。

2.3.2 壁板內(nèi)力計(jì)算

沉箱插板式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)沉箱結(jié)構(gòu)相比，壁板的受力模式一致，不同的是前者多了前插板及后插板。壁板內(nèi)力可按規(guī)范[6]簡(jiǎn)化(底板以上1.5倍內(nèi)隔板間距區(qū)域，按三邊固定一邊簡(jiǎn)支板計(jì)算；1.5倍內(nèi)隔墻間距以上區(qū)段，多于2跨時(shí)按兩端固定的連續(xù)板計(jì)算，等于或少于2跨時(shí)按框架或是兩端固定的單跨板計(jì)算)計(jì)算，或采用有限元軟件建模計(jì)算[8]，有條件時(shí)可采用數(shù)值分析與物模驗(yàn)證的方式進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[9]。設(shè)計(jì)過程中沉箱壁板內(nèi)力采用有限元空間計(jì)算。其中沉箱壁板采用殼單元模擬，各壁板與底板及隔板之間的連接均按共用節(jié)點(diǎn)考慮。沉箱底板水平向位移全約束，豎向位移采用彈簧單元模擬，彈簧的剛度系數(shù)K=Ae×E，Ae為對(duì)應(yīng)底板單元面積，m2；E為地基基床系數(shù)，kN/m3，基床系數(shù)參考相關(guān)規(guī)范[10]選取，沉箱壁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算模型見圖3。

圖3 沉箱有限元模型 圖4 貯倉壓力分布圖Fig.3 Finite element model of caisson Fig.4 Distribution of barn pressure

圖4為沉箱壁板內(nèi)力計(jì)算時(shí)，沉箱內(nèi)部貯倉壓力隨深度變化的分布圖。沉箱壁板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖5～圖10所示，受篇幅限制只給出極端高水位時(shí)沉箱壁板的受力云圖，其他工況對(duì)應(yīng)的沉箱壁板內(nèi)力值見表4。

圖5 前壁板Mx彎矩圖 圖6 前壁板My彎矩圖Fig.5 Bending moment-Mx of front slab Fig.6 Bending moment-My of front slab

圖7 側(cè)壁板Mx彎矩圖 圖8 側(cè)壁板My彎矩圖Fig.7 Bending moment-Mx of side slab Fig.8 Bending moment-My of side slab

圖9 后壁板Mx彎矩圖 圖10 后壁板Mz彎矩圖Fig.9 Bending moment-Mx of back slab Fig.10 Bending moment-My of back slab

表4 沉箱壁板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of internal force for caisson (kN·m)/m

側(cè)壁僅考慮貯倉壓力作用，由于沉箱頂高程已低于極端低水位，其側(cè)壁承受的貯倉壓力不隨計(jì)算水位變動(dòng)，其內(nèi)力計(jì)算結(jié)果亦然。

2.3.3 插板及卡槽內(nèi)力計(jì)算

沉箱插板式結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)沉箱結(jié)構(gòu)相比，壁板的受力模式一致，不同的是前者多了前插板及后插板。由于插板豎向剛度較小，僅考慮承受水平力作用，并且插板分片預(yù)制，每片插板高不大于1.5 m(施工時(shí)從上往下插入卡槽中)。插板在卡槽中，其重力方向位移被約束，施工完成后其橫向水平位移被約束，縱向水平位移被約束，兩端部可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)化成平面問題。

前插板及后插板設(shè)計(jì)均為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，在使用期考慮到支座約束條件可能改變且相鄰沉箱發(fā)生前后錯(cuò)位等極端情況時(shí)，其受力模式會(huì)變得相對(duì)復(fù)雜。插板的內(nèi)力計(jì)算工況考慮如下三種模式：①插板端部在卡槽兩端能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其受力模式為簡(jiǎn)支模式；②插板一端在卡槽內(nèi)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端由于碎石或其他填充物卡塞無法動(dòng)彈(簡(jiǎn)化為固定支撐)，相鄰沉箱發(fā)生前后錯(cuò)位，此時(shí)受力模式為一端簡(jiǎn)支一端固定支撐，且支座處發(fā)生Δ位移；③插板兩端都被填充物卡塞得無法動(dòng)彈，相鄰沉箱發(fā)生前后錯(cuò)位，此時(shí)受力模式為兩端固定支撐，且支座處發(fā)生Δ位移。具體受力工況示意圖見圖11。

11-a 工況①11-b 工況②11-c 工況③圖11 插板受力工況示意圖Fig.11 Force status of inserted plate

重力式碼頭墻后土壓力基于主動(dòng)土壓力計(jì)算，因此支座位移最大值Δ可根據(jù)沉箱后方土體變形協(xié)調(diào)的最大允許值求得。國標(biāo)對(duì)重力式碼頭使用期水平位移沒有相關(guān)的要求，在歐標(biāo)[11]附錄C中，對(duì)于直墻結(jié)構(gòu)，墻后主動(dòng)土壓力發(fā)揮時(shí)對(duì)土體的位移有限制要求，土體最大的水平位移不得超過0.2%H(對(duì)應(yīng)密實(shí)的非粘性土，墻底為0，墻頂為0.2%H，從底到頂為線性變化)，H為墻高。按保守計(jì)算，支座位移Δ取沉箱頂處的最大允許位移，Δ=0.014 2 m。表5給出了各計(jì)算工況下前后插板及卡槽的內(nèi)力包絡(luò)值。

表5 插板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of internal force for inserted plate

從表5可知，當(dāng)相鄰沉箱在使用過程中不發(fā)生錯(cuò)位時(shí)，前后插板及卡槽的內(nèi)力均很小，與相鄰沉箱前后壁板的內(nèi)力相仿；當(dāng)相鄰沉箱出現(xiàn)相對(duì)錯(cuò)位時(shí)，插板及卡槽的內(nèi)力會(huì)變大，尤其在卡槽支座處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 結(jié)論

從上述計(jì)算結(jié)果可知：

(1)沉箱插板結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性更高。從表1可知，在不降低使用要求與安全性能的前提下，加寬了倒濾井之后，減少了吊裝沉箱和混凝土用量，經(jīng)濟(jì)性更高。

(2)在豎向荷載小的工程中，該新型結(jié)構(gòu)更能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載性能，受力更合理。從表3可知，在同等設(shè)計(jì)工況條件下，該新型結(jié)構(gòu)的受力與傳統(tǒng)的沉箱結(jié)構(gòu)相差不大。在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，抗滑穩(wěn)定性與傳統(tǒng)沉箱一致，新型結(jié)構(gòu)的抗傾略差于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而基床應(yīng)力較大(控制工況為門機(jī)與均載)，說明該結(jié)構(gòu)對(duì)水平荷載的承載能力與傳統(tǒng)沉箱結(jié)構(gòu)相仿，但對(duì)豎向荷載較為敏感。

(3)相鄰沉箱相對(duì)錯(cuò)位時(shí)對(duì)插板及卡槽內(nèi)力有顯著增加。從表5可知，相鄰沉箱的相對(duì)錯(cuò)位對(duì)插板及卡槽內(nèi)力影響較大。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對(duì)卡槽處牛腿局部加強(qiáng)以滿足其內(nèi)力要求。同時(shí)在設(shè)計(jì)卡槽時(shí)，其寬度應(yīng)預(yù)留足夠的富?？臻g，保證插板在安裝及使用過程中能適應(yīng)較大的錯(cuò)位，避免卡槽處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

綜上所述，對(duì)傳統(tǒng)的沉箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過加寬倒濾腔，由單純的倒濾作用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槌惺芎奢d并滿足倒濾作用的結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載性能，大幅減少沉箱預(yù)制安裝數(shù)量，有效減少工程造價(jià)?？赏茝V使用于重力式碼頭和防波堤的工程應(yīng)用中，通過調(diào)節(jié)插板的寬度，以達(dá)到優(yōu)化的良好效果。