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摘 要：由于大圆筒码头结构土压力计算理论、相互作用的机理尚不明确，目前在现行规范中还没有可信赖的计算公式，本文结合工程实例，通过现有规范和staad软件空间建模，分析大圆筒结构受力及配筋，可供同类码头结构设计参考。
关键词：大直径圆筒;临时底板;土压力;有限元
中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）10-0134-03
1引言
坐床式大圆筒结构与其他常见的重力式码头结构型式相比具有一定优势，受力条件好，曲面上的主动土压力在理论上会比库伦土压力计算值小，但因该结构与土体之间互相作用的机理非常复杂，还没有成熟的经验，目前在现行规范中还没有可信赖的计算公式，本文结合钦州港某工程实例，通过现行规范和staad软件空间建模分析，较好地完成了大圆筒结构内力计算及配筋，已顺利通过专家评审。同矩形沉箱方案比较，混凝土量可减少35%以上，码头工程费用仅为沉箱方案的75%，具有较好的技术和经济效益。
2工程概况
本工程由南向北布置3个5万吨级通用泊位，泊位总长757m，陆域总面积79hm2，陆域纵深约1100m，码头面高程6.30m。在规划已确定其水、陆域位置的基础上，综合考虑与后续工程的衔接、装卸工艺特点及工程地质条件，本水工建筑物采用坐床式钢筋砼大直径圆筒结构。本工程南端与旁边码头衔接处已建有82.8m的延长段，该延长段共安放圆筒4个，该延长段卸荷板范围内铺面已施工，同时在本工程北端需预留73.1m过渡段，因此本次需新建水工结构长度为747.3m。
大圆筒外径为18m，圆筒壁厚为0.34m，圆筒坐落在1m厚的抛石基床上，持力层选在中风化岩层。圆筒底标高为-13.60m，圆筒顶标高为3.0m，圆筒外趾悬挑长度为0.80m，圆筒设有临时底板，底板与圆筒之间采用螺栓连接，待圆筒安装就位后，由潜水员水下对称拆开螺栓。圆筒内要求回填砂及砾卵石反滤料，并且进行振冲达到中密及以上。圆筒上为现浇钢筋砼卸荷板、胸墙和轨道梁，卸荷板为梁肋式结构，连系梁横向布置，正交连接胸墙、前后轨道梁等纵向构件，每块卸荷板设两道横向连系梁，间距为11.0m，梁宽0.8m，梁高3.3m。现浇胸墙底标高为3.0m，顶标高为6.3m，顶底宽度为4.9m，胸墙临水悬宽0.8m，悬宽底高程下设至+1.8m，以供护舷安装，胸墙内部设置管沟，用于放置为船舶和工艺设备等供水、供电而铺设的水管和电缆。每个圆筒上设置一段钢筋混凝土胸墙，即胸墙的分段长度为18.98m，段间设20mm沉降缝，沉降缝采用泡沫板填充。
3设计条件
3.1自然条件
3.1.1设计水位
设计高水位：4.68m;设计低水位：0.40m;极端高水位：5.77m;极端低水位：-0.89m。
3.1.2设计波浪
除台风影响期间外，本工程水域波浪很小，主要影响为小风区风成波和船行波。
3.1.3设计风速
按瞬时9级风，设计风速V=22m/s。码头装卸机械设备对水工结构的影响按照台风期间的最大设计风速V=55m/s考虑。
3.1.4水流流速
本码头处落潮时最大流速为0.7m/s，涨潮时最大流速为0.54m/s。
3.1.5地质条件
根据钻探结果分析，基岩上覆土层为人工填土、第四系全新统晚期海相沉积层为淤泥土、第四系全新统早期海陆相沉积层为淤泥质粉质粘土、砂类土及晚更新统残积土为粘质粉土，下伏基岩为白垩系棕红色泥质粉砂岩。本工程抛石基床位于中风化岩层上，抛石基床底面与地基土顶面摩擦系数设计值取0.55。
3.2设计荷载
3.2.1永久作用
主要建筑物自重力、填料自重、填料土压力等。
3.2.2可变作用
3.2.2.1均布荷载
码头前沿：标准值q1=20kPa（码头前沿25m范围内）。
前方堆场：标准值q2=120kPa（码头前沿25m范围外）。
3.2.2.2机械荷载
流动机械：ZL50装载机、25t轮胎式起重机、20t自卸车、Q25牵引车和平板车等。
25t-33m门机：4腿×8轮，轨距×基距=14m×10.5m，最大轮压25t。
3.2.2.3船舶荷载
4计算方法及结果分析
4.1贮仓压力[1]
圆筒高度与直径之比接近1，圆筒内填料为砂石时，沿圆筒壁深度各点的垂直压力和侧压力值可按式（1）至（4）计算：
4.2土压力
作用于圆筒外的土压力，土压力沿筒周边或高度方向的分布性质和大小，与直立面墙有所不同。依据现行规范，圆筒墙后的主动土压力，可按墙背为平面简化计算，土与墙背之间的摩擦角可取1/3倍填料内摩擦角标準值。一般是通过假定一个垂直平面来代替直径D范围内的曲面上的计算。周锡礽[2]等通过一系列试验研究对筒体外土压力的计算进行了总结，该平面与圆筒轴线的距离x是根据圆筒曲面上的总侧向土压力与此假定垂直平面所作用的侧向土压力，两者相等的原则推算而得x=（0.35～0.38）D。另外，由于圆筒的曲面效应，曲面上的土压力理论值比库伦土压力要小，且径向土压力沿着圆周逐渐递增（或递减）。在本实例计算中，认为筒后土压力分布基本上呈三角形的分布趋势，按库伦土压力理论值乘以一个折减系数k1，近似在0.60～0.80范围内;地面均布荷载按矩形分布计算，均载产生的附加土压力按库伦土压力理论值乘以一个折减系数k2，近似在0.40～0.60范围内。
主动土压力可按式（5）计算：
墙后均载产生的土压力可按式（6）计算：
4.3计算结果
码头结构采用临时有底的钢筋砼薄壁大圆筒结构。临时底板是本实例中比较特别的一个设计思路，使得圆筒可利用浮船坞运输至预定位置安装，在缺少大型浮吊设备情况下很有优势。
码头结构抗倾、抗滑、地基应力等验算采用丰海软件计算，结果详见表1至表2。圆筒结构内力计算则采用staad软件进行模拟计算（如图2），筒体用板壳单元表示，筒底与抛石基床边界条件简化为水平向和竖向只添加位移约束，结果详见表3。各作用效应按《码头结构设计规范》（JTS167-2018）等相关的规范条文，对实际可能在码头结构上同时出现的作用，按不同水位情况下相应的持久状况、短暂状况予以考虑组合。
通过计算分析可知，在外部荷载作用下，本文上述圆筒结构尺寸满足抗滑、抗倾覆、地基承载力等要求，并对钢筋砼大圆筒受力较大的区域加强配筋，而不仅仅是满足构造配筋的要求，使得配筋更加合理，兼顾考虑安全性和经济性。
5 结语
本文结合工程实例，通过空间有限元软件对圆筒结构受力分析，得出圆筒环向和纵向的弯曲应力均较小，且筒体的控制性弯矩是环向弯矩。圆筒结构最大特点是曲壳结构，筒内无需设置隔墙，预制方便，可以做成大直径，安装工程量少，稳定性能好，经济效益明显，在港口工程建设中具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] JTS167-2018，码头结构设计规范[S].
[2]周锡礽，王晖，韩桂军.大直径薄壳圆筒结构的设计与计算[J].港工技术，1995（02）：22-30.
[3] JTS151-2011，水运工程混凝土结构设计规范[S].
关键词：大直径圆筒;临时底板;土压力;有限元
中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）10-0134-03
1引言
坐床式大圆筒结构与其他常见的重力式码头结构型式相比具有一定优势，受力条件好，曲面上的主动土压力在理论上会比库伦土压力计算值小，但因该结构与土体之间互相作用的机理非常复杂，还没有成熟的经验，目前在现行规范中还没有可信赖的计算公式，本文结合钦州港某工程实例，通过现行规范和staad软件空间建模分析，较好地完成了大圆筒结构内力计算及配筋，已顺利通过专家评审。同矩形沉箱方案比较，混凝土量可减少35%以上，码头工程费用仅为沉箱方案的75%，具有较好的技术和经济效益。
2工程概况
本工程由南向北布置3个5万吨级通用泊位，泊位总长757m，陆域总面积79hm2，陆域纵深约1100m，码头面高程6.30m。在规划已确定其水、陆域位置的基础上，综合考虑与后续工程的衔接、装卸工艺特点及工程地质条件，本水工建筑物采用坐床式钢筋砼大直径圆筒结构。本工程南端与旁边码头衔接处已建有82.8m的延长段，该延长段共安放圆筒4个，该延长段卸荷板范围内铺面已施工，同时在本工程北端需预留73.1m过渡段，因此本次需新建水工结构长度为747.3m。
大圆筒外径为18m，圆筒壁厚为0.34m，圆筒坐落在1m厚的抛石基床上，持力层选在中风化岩层。圆筒底标高为-13.60m，圆筒顶标高为3.0m，圆筒外趾悬挑长度为0.80m，圆筒设有临时底板，底板与圆筒之间采用螺栓连接，待圆筒安装就位后，由潜水员水下对称拆开螺栓。圆筒内要求回填砂及砾卵石反滤料，并且进行振冲达到中密及以上。圆筒上为现浇钢筋砼卸荷板、胸墙和轨道梁，卸荷板为梁肋式结构，连系梁横向布置，正交连接胸墙、前后轨道梁等纵向构件，每块卸荷板设两道横向连系梁，间距为11.0m，梁宽0.8m，梁高3.3m。现浇胸墙底标高为3.0m，顶标高为6.3m，顶底宽度为4.9m，胸墙临水悬宽0.8m，悬宽底高程下设至+1.8m，以供护舷安装，胸墙内部设置管沟，用于放置为船舶和工艺设备等供水、供电而铺设的水管和电缆。每个圆筒上设置一段钢筋混凝土胸墙，即胸墙的分段长度为18.98m，段间设20mm沉降缝，沉降缝采用泡沫板填充。
3设计条件
3.1自然条件
3.1.1设计水位
设计高水位：4.68m;设计低水位：0.40m;极端高水位：5.77m;极端低水位：-0.89m。
3.1.2设计波浪
除台风影响期间外，本工程水域波浪很小，主要影响为小风区风成波和船行波。
3.1.3设计风速
按瞬时9级风，设计风速V=22m/s。码头装卸机械设备对水工结构的影响按照台风期间的最大设计风速V=55m/s考虑。
3.1.4水流流速
本码头处落潮时最大流速为0.7m/s，涨潮时最大流速为0.54m/s。
3.1.5地质条件
根据钻探结果分析，基岩上覆土层为人工填土、第四系全新统晚期海相沉积层为淤泥土、第四系全新统早期海陆相沉积层为淤泥质粉质粘土、砂类土及晚更新统残积土为粘质粉土，下伏基岩为白垩系棕红色泥质粉砂岩。本工程抛石基床位于中风化岩层上，抛石基床底面与地基土顶面摩擦系数设计值取0.55。
3.2设计荷载
3.2.1永久作用
主要建筑物自重力、填料自重、填料土压力等。
3.2.2可变作用
3.2.2.1均布荷载
码头前沿：标准值q1=20kPa（码头前沿25m范围内）。
前方堆场：标准值q2=120kPa（码头前沿25m范围外）。
3.2.2.2机械荷载
流动机械：ZL50装载机、25t轮胎式起重机、20t自卸车、Q25牵引车和平板车等。
25t-33m门机：4腿×8轮，轨距×基距=14m×10.5m，最大轮压25t。
3.2.2.3船舶荷载
4计算方法及结果分析
4.1贮仓压力[1]
圆筒高度与直径之比接近1，圆筒内填料为砂石时，沿圆筒壁深度各点的垂直压力和侧压力值可按式（1）至（4）计算：
4.2土压力
作用于圆筒外的土压力，土压力沿筒周边或高度方向的分布性质和大小，与直立面墙有所不同。依据现行规范，圆筒墙后的主动土压力，可按墙背为平面简化计算，土与墙背之间的摩擦角可取1/3倍填料内摩擦角标準值。一般是通过假定一个垂直平面来代替直径D范围内的曲面上的计算。周锡礽[2]等通过一系列试验研究对筒体外土压力的计算进行了总结，该平面与圆筒轴线的距离x是根据圆筒曲面上的总侧向土压力与此假定垂直平面所作用的侧向土压力，两者相等的原则推算而得x=（0.35～0.38）D。另外，由于圆筒的曲面效应，曲面上的土压力理论值比库伦土压力要小，且径向土压力沿着圆周逐渐递增（或递减）。在本实例计算中，认为筒后土压力分布基本上呈三角形的分布趋势，按库伦土压力理论值乘以一个折减系数k1，近似在0.60～0.80范围内;地面均布荷载按矩形分布计算，均载产生的附加土压力按库伦土压力理论值乘以一个折减系数k2，近似在0.40～0.60范围内。
主动土压力可按式（5）计算：
墙后均载产生的土压力可按式（6）计算：
4.3计算结果
码头结构采用临时有底的钢筋砼薄壁大圆筒结构。临时底板是本实例中比较特别的一个设计思路，使得圆筒可利用浮船坞运输至预定位置安装，在缺少大型浮吊设备情况下很有优势。
码头结构抗倾、抗滑、地基应力等验算采用丰海软件计算，结果详见表1至表2。圆筒结构内力计算则采用staad软件进行模拟计算（如图2），筒体用板壳单元表示，筒底与抛石基床边界条件简化为水平向和竖向只添加位移约束，结果详见表3。各作用效应按《码头结构设计规范》（JTS167-2018）等相关的规范条文，对实际可能在码头结构上同时出现的作用，按不同水位情况下相应的持久状况、短暂状况予以考虑组合。
通过计算分析可知，在外部荷载作用下，本文上述圆筒结构尺寸满足抗滑、抗倾覆、地基承载力等要求，并对钢筋砼大圆筒受力较大的区域加强配筋，而不仅仅是满足构造配筋的要求，使得配筋更加合理，兼顾考虑安全性和经济性。
5 结语
本文结合工程实例，通过空间有限元软件对圆筒结构受力分析，得出圆筒环向和纵向的弯曲应力均较小，且筒体的控制性弯矩是环向弯矩。圆筒结构最大特点是曲壳结构，筒内无需设置隔墙，预制方便，可以做成大直径，安装工程量少，稳定性能好，经济效益明显，在港口工程建设中具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] JTS167-2018，码头结构设计规范[S].
[2]周锡礽，王晖，韩桂军.大直径薄壳圆筒结构的设计与计算[J].港工技术，1995（02）：22-30.
[3] JTS151-2011，水运工程混凝土结构设计规范[S].