跨海桥梁基础波浪(流)力计算问题探讨

在收集国内外海洋桩柱结构物波浪(流)力研究资料的基础上,对桩柱波浪力计算的现状进行了归纳总结。结合已建多座跨海大桥工程实践,通过桥梁基础波浪(流)力模型试验结果与采用现行规范方法所得计算结果进行对比分析,分别对跨海桥梁基础波浪力特点、小尺度桩基波浪力计算、大尺度沉井(承台、桥墩)波浪力计算、横向波浪(流)力计算及波流共同作用下的波浪(流)力计算等问题进行探讨,提出目前桥梁基础波浪(流)力计算存在的问题及解决措施与方法,并针对存在的问题,提出了跨海桥梁基础波浪(流)力进一步深入研究的思路、研究技术路线及研究内容。     

波浪作用下考虑桩土相互作用的桩柱响应*

以一离岸深水桩柱为例,依据JTJ 2132—1998《海港水文规范》的环境条件和环境荷载规范,对桩柱进行有限元离散。在海洋深水环境条件下考虑流固耦合效应,计算了在海洋极端规则波以及不规则波条件下桩柱的运动响应;为了进一步研究分析泥面以下土体对桩柱运动响应的影响,对比分析了在考虑桩土耦合相互作用下桩柱的响应与基岩面固结解下的响应;考虑到海洋地基为两相饱和土介质,对比了在不同简化阻抗处理下的运动响应结果。结果表明,桩土耦合相互作用对于波浪尤其是不规则波作用下的桩柱响应有很大影响,简化阻抗下的运动响应相比两相饱和地基阻抗处理论误差在10%左右,考虑桩土耦合效应对于工程设计具有指导意义和实用价值。     

桩柱间距对桩柱上波浪荷载的影响

桩柱间距的大小直接关系到入射波对桩柱的作用力及对平台或上部结构的上托力。基于FLOW-3D建立三维数值波浪水槽,通过试验验证数值模型的准确性,研究4种波况下,桩柱间距L对作用在上游桩柱和下游桩柱波浪荷载的影响。结果表明：由于桩柱的相互影响,作用在两桩柱上顺向波浪荷载和横向波浪荷载均不同于孤立桩柱情形,群桩系数KG与桩柱间距L有密切关系,对于顺向群桩系数KGx,当桩柱间距L与其直径D的比值小于1.0时,上游桩柱顺向群桩系数KGxu＜1.0,下游桩柱顺向群桩系数KGxd＞1.0,两桩柱的横向群桩系数KGy可达3.0～4.0。随着间距的增加,KGxu逐渐增大、KGxd逐渐减小、KGy大幅减小。当L/D＞4.0时,基本可以忽略两桩柱的相互影响。     

游艇码头定位桩设计荷载计算研究

我国现行规范中对游艇码头荷载的计算方法仍存在不明确的问题。针对游艇码头定位桩设计中涉及的波浪荷载、风荷载、水流荷载及荷载组合,本文对中国规范、澳大利亚标准和《海港工程设计手册》中相关计算方法进行对比分析。通过计算结果对比可知,中国规范对风荷载、水流荷载提出的计算方法可靠;对波浪荷载,建议依据《海港工程设计手册》中的计算方法。     

浅海牧场式围栏设施中柱桩波流力计算方法比较

波流力是浅海牧场式围栏设施中柱桩所受的主要荷载,直接影响着桩基的型式和断面尺寸。文章结合椒江大陈岛海域大型浅海牧场式围栏设施工程设计需求,分别采用目前常用的两种柱桩波流力计算方法计算了不同波浪和水流条件下最大总波流力和总波流力矩,结果表明,两者均随波高和流速的增大而增大,而受平均周期的影响较小。同时,相比于波高和平均周期,流速对两种方法计算结果差异的影响更为显著,随着流速的逐渐增大,其差异也逐渐增大。文章研究结果对今后浅海围栏设施中柱桩工程设计的方法选择和科学研究具有一定的参考价值。     

波流作用下钢管桩动力响应的数值模拟

在港口工程和海洋工程中,钢管桩施工就位后就会受到波浪和水流荷载的作用,钢管桩在波流荷载下的动力响应对结构安全有重要影响;尤其是在上部结构没有完成时,桩只能靠自身结构承受这些荷载。文中选用改进的JONSWAP型谱模拟不规则波浪,根据莫里森公式计算作用于桩上的随时间变化的波流荷载,利用有限元法并结合newmark方法,得到钢管桩的结构内力和变形在时域内的变化。利用以上模型对一栈桥钢管桩进行了波流荷载作用下的动力响应分析,对于评估钢管桩的结构设计具有重要的参考价值。     

对作用桩基上的波流力计算中若干值得注意的问题的探讨

在强潮流海区的工程设计中,要根据工程处的潮流特征合理地确定潮流、潮位及波浪的组合;简单地按《港口工程荷载规范》（JTJ 215—1998）有关条文确定作用于桩基上的水流合力作用点,则显得过于安全。文章提出一种新方法,能合理地计算作用于桩基上的水流力与力矩,该方法计算成果与现场测试结果基本一致,平均误差为3.16%;通过东海大桥桥墩潮流、波浪物理模型实验成果分析,认为计算作用于高桩墩台（特别是圆形的）下群桩上的波流力时,群桩系数一般情况可取0.65。     

简析波浪作用下的船舶系缆力

船舶系缆力是确定码头系缆柱、快速脱缆钩规格等级的重要依据。关于波浪对船舶系缆力所产生的影响,在港口工程荷载规范中,没给出相应的计算方法。本文,分析了波浪对系缆船舶的作用机理并讨论了波浪引发船舶运动及不同材质缆绳的伸长率概念。最后,结合工程实例,应用Optimoor软件就波浪作用与船舶系缆力的多种工况条件进行了对比计算。     

大数量桩柱波浪力的机理研究

研究了大数量桩柱的波浪力特性，基于特征函数展开和块矩阵求逆方法，导出了一种计算大数量桩柱波浪力的递推算法，数值结果表明，在周期性布置的桩柱阵列中，在某些特定的波浪频率下，存在“波浪频率下，存在”波浪俘获“现象，当发生波浪俘获时，波浪力的幅值可呈几倍到几十倍的增加，采用不等间距的桩柱，可有效地减小桩柱在特殊频率下的受力幅值。     

埋深对墩式沉箱底面波浪浮托力影响分析

《港口与航道水文规范》(JTS 145—2015)对于有一定埋深情况下的沉箱底面波浪浮托力如何计算未做说明。针对埋深对于墩式沉箱底面波浪浮托力的影响程度,结合实际工程,对规范公式计算结果与物理模型试验结果进行对比分析。结果表明,埋深对于沉箱底面波浪浮托力有一定的折减效应,具体折减程度须结合埋深、土质、沉箱尺寸、波浪参数等综合确定。     

中美英规范在港工水电构筑物结构设计的差异

水电构筑物结构设计是港口工程设计的重要组成部分。以有限单元法为基础,对比中国的GB 50010—2010、美国的ACI 318 M-2014、英国的BS 8110-1:1997这3个规范在港工常规构筑物结构设计中的计算方法,得出中美英规范在港工构筑物的抗弯、抗剪强度、偏心受压强度计算和裂缝宽度、地基承载力验算的异同,并结合典型工程实例说明按照不同规范计算的具体步骤和差异。结果表明,按照美国或英国规范计算的港工构筑物结构的体积含钢量较大。     

中外规范高桩结构波浪浮托力对比

国际工程中,波浪对海港高桩码头结构浮托力的计算至关重要,但各国规范中对波浪浮托力的计算方法不尽相同。国际上普遍较认可欧美等国际标准,或者采用当地标准,为了在国际工程中更好地推广中国规范,往往需要采用多种规范对比分析。根据中国行业规范及手册,结合具体工程实例,对比英国、美国、日本、ISO、国际航运协会标准等常用的国外规范。此外,结合工程常用的几种不同波浪特征周期条件,分析了中等水深和较深水深下,波浪总浮托力与结构底部高出静水面高度与设计波高比值之间的关系;根据不同计算方法,分析不同水深不同周期下波浪浮托力的差异和特点,提出了海外工程的使用建议。     

中外规范桩基承载力计算对比

针对目前海外码头工程桩基承载力的计算因选用不同国家规范而存在一定差异的问题,对中国、美国、欧洲及新西兰规范的土层参数、安全系数的取值进行对比分析,得出各国规范关于桩基承载力计算所适用的地层情况和取值建议。以巴布亚新几内亚莱城港某码头为例,对比各国规范的单桩轴向抗压承载力计算结果。结果表明,当砂土层的标贯击数较小时,对于桩侧阻力的计算选择欧洲规范更加保守;在砂土层中,计算桩端阻力选择新西兰规范最安全。     

中长周期波下防波堤导航灯基础波浪力计算方法

作为防波堤导航灯的基础,其所处位置一般为整个码头工程中波浪条件最为恶劣的区域,而导航灯基础又兼具防浪墙及独立墩柱的双重特性,因此其波浪力的计算较为复杂。基于实际工程项目,通过中外不同规范、手册对防波堤导航灯基础波浪力计算方法进行对比分析,并结合物模试验结果,提出在中长周期波作用下,为保证导航灯基础的稳定并留有一定富余,建议其波浪力采用Morison公式进行计算,同时需采用Martin公式对波浪力计算结果进行复核。分析成果可为类似项目及国内规范修订提供参考。     

中美规范灌注桩单桩抗压承载力计算对比

灌注桩单桩抗压承载力的计算是高桩码头及公路桥梁设计的重要组成部分。随着国内设计单位走出去的步伐逐渐加快,设计人员应快速掌握并应用不同国家的设计规范。通过对比中国的《码头结构设计规范》《公路桥涵地基与基础设计规范》和美国的《公路桥梁设计规范》,得出不同规范在灌注桩侧阻及端阻计算细节、安全系数储备等方面的异同点。依托实际工程,结合钻探地质资料,比较3种规范对应的单桩竖向抗压承载力大小,并评价各规范优缺点。结果表明,两个中国规范操作相对简单但遇到特殊土质时受限,美国规范概念明确且适用范围更广,但计算过程相对复杂。     

PHC管桩力学性能的中英标准对比

针对东南亚地区采用中国标准的PHC管桩与英标的对接问题,基于英标对混凝土结构的一般规定,确定了英标应用于PHC管桩力学性能计算的方法,计算项目包括:材料强度、预应力损失、轴向允许最大工作压力、抗剪承载力、抗裂弯矩、极限弯矩,并将这些力学指标与我国常用标准的计算结果进行对比。对比结果表明:英标计算结果总预应力损失、有效预压应力接近;轴向允许最大工作压力偏小;抗剪承载力设计值、抗裂弯矩和极限弯矩设计值偏大。结果为海外工程中PHC管桩标准的使用提供了参考。     

基于英国标准体系的桩基承载力计算方法

本文综合论述了不同国际标准体系下,高桩码头桩基承载力计算方法的选择.详细阐述了英国标准体系下,高桩码头桩基承载力的几种不同计算方法和适用条件.以印尼某项目为例,对几种方法的计算结果进行比较分析,并与桩基动力测试结果进行比较,提出较为适宜的计算方法,为类似工程提供参考.     

桩基重力式支护结构的不同计算模型

桩基重力式支护结构由重力式胸墙和双排桩组成,是一种半刚性半柔性支护结构。对该结构的设计,相关单位根据规范采用平面钢架弹性支点法计算下部双排桩,同时将上部胸墙简化为悬臂梁进行计算,但由于胸墙为刚性体,受力特征及对双排桩的约束与悬臂梁不同。为了系统研究该结构在不同计算模型中的变形及内力分布特征,对比规范设计和实体模型的计算结果。结果表明:参照相关规范设计时,上部胸墙产生线性位移,后排桩的弯矩及剪力都大于前排桩;而在实体计算模型中,上部胸墙发生平动位移模式,由于基坑开挖受到主要的土压力差作用,前排桩产生的弯矩和剪力都大于后排桩。     

海上风机导管架基础钢管桩稳桩平台结构强度分析

海上风机导管架基础钢管桩沉桩施工通常需要专门的稳桩平台辅助进行。结合作业工艺要求、海洋环境条件和相关规范,对钢管桩稳桩平台进行结构设计。采用SESAM软件和ANSYS Workbench软件分别对稳桩平台整体结构强度和吊耳局部结构强度进行计算分析,并根据规范对计算结果进行评估。结果表明,稳桩平台整体结构强度和吊耳局部结构强度均满足规范要求。该计算分析方法同样适用于海上升压站导管架基础、海上单桩基础稳桩平台或其他类似导管架结构的强度评估。     

中英规范大直径钻孔灌注桩竖向承载力设计对比

大直径钻孔灌注桩广泛应用于高桩码头、长距离引桥等港口工程项目中,大直径钻孔灌注桩竖向承载力的设计不仅关系到结构自身的安全,同时也关系到工程的总体投资。通过国内行业标准与英标对大直径钻孔灌注桩竖向承载力的设计进行对比分析,在保证结构基础安全可靠的前提下寻求桩基入土长度的合理优化,最后通过静载试验结果对中英规范大直径钻孔灌注桩竖向承载力的设计进行复核。研究成果可为后续港口工程项目大直径钻孔灌注桩的设计提供一定的理论依据。