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对高桩梁板码头波浪力计算的体会


《水运工程》1998 年第 9 期

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港口

对高桩梁板码头波浪力计算的体会
第三航务工程勘察设计院   张九容

摘要 从目前高桩梁板码头设计现状中存在的问题入手 , 说明波浪力采用不同计算方法的差异性和 急待解决的迫切性 , 提出一个初步的计算方法和解决有关问题的途径和设想 。 关键词 高桩梁板码头   波浪力   计算
ABSTRACT In order to slove t he problems for at present calculation wave forces acting on open wharf on piles , t he present s a tentative calculation met hod.

1  问题的提出

别为 3m 、 、 的工程各构件进行相关计算 4m 5m ( 表 1) , 由表 1 可见 , 同一种波要素 , 两种计算 方式的计算值相差较大 , 最小相差 3 倍 , 最大 相差 8 倍 , 到底哪一种方法正确 、 接近实际值 或试验值呢 ? 问题由此提出 。
2  波浪力对码头上部构件作用条件 2. 1   靠船构件的受力状况

目前水运工程水工建筑物构件波浪力计 算 ,《港口工程技术规范》 ( 1987 年版 ) ( 以下 ) 简称 《规范》 对直墙式和斜坡式建筑物有明确 的计算公式 ; 对透空式高桩梁板码头的桩基和 墩柱 , 亦有相应的计算公式 , 但对其上部构件 的波浪力计算没有明确规定 。 交通部第一航务 工程勘察设计院 1975 年编写的 《海港码头结构 ) 设计手册》( 以下简称 《手册》 , 有进行波作用 力的近似计算方法 , 但在重新编写的 《海港工 ( 1994 年 1 月第一版) ( 以下简称 程设计手册》 ) 《设计手册》 , 又将进行波对码头上部结构作 用力的近似计算方法中有关作用在码头正面梁 或靠船构件上的波浪侧压力的计算条文删除 ( 因为计算结果偏差较大 ) 。 究竟如何计算上部 构件的波浪力 , 笔者根据多年的设计工程实例 分析 , 对原来的近似计算方法进行了探讨和研 究。 现采用 《手册》《规范》 、 对长江下游 、 杭州 湾、 舟山地区选取波要素为 50a 一遇 、H1 %分

一般靠船构件宽度约为 1. 0m ~ 2. 0m ( 只 要满足安装护舷要求即可 ) , 其断面相当于下 面悬空的桩基或墩柱 , 断面为长宽比 ≤ 5 的 1. ( 1987 年版 ) 在总结国 矩形垂直柱体 。 《规范》 内外理论研究和试验观测的基础上 , 提出了波 浪对桩基和墩柱建筑物的作用以绕流理论为基 础的计算方法 , 波浪力由速度分力 PD 和惯性 分力 Pi 组成 , 经过多组试验 , 试验结果相关性 较好 , 与其他计算公式比较 , 实用性强 , 该公 γ 式为 :  P0 = C ?D ?U| U| 2g D γ 5U Pi = C ?A ?( ) g m 5t

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《水运工程》1998 年第 9 期

码头构件波浪力计算对比表 波浪力 ( kN) 《手册》 《规范》
51. 6 42 71 55. 5 85 71 154 81. 5 240 245 110 15 8. 3 12. 2 15 9 19 104 82 27

表1

水位 ( m)

泥面 ( m)

构件受流面积 (m × ) m 桩帽 2 × 9 7.

H1 % ( m)

T ( s)

L ( m)

《手册》 K= 《规范》

2. 86

5. 1 5. 1 5. 1

99. 2

3. 44 5. 03 5. 83 5. 8 8. 0 8. 0 2. 4 3. 0 4. 0

2. 74

- 12. 0

靠船构件 2 × 6 2. 水平撑 5 × 8 0. 横梁 2 × 2 1.
4. 10

6. 2 6. 2 6. 2

5. 88

- 8. 00

靠船构件 0. 9 × 6 2. 水平撑 6. 8 × 5 0. 桩帽 4. 4 × 6 1.
4. 97

7. 85 7. 85 7. 85

2. 46

- 13. 0

靠船构件 2. 2 × 4 2. 水平撑 6. 6 × 9 0.

   适用条件 : H d ( 1) ≤ 2, 0. ≥ 2 , 按规范 7. 3. 2 条 , 0. d L 7. 3. 3 条计算 ; H d ( 2) > 0. 2 , ≥ 35 ; 0. d L H d ( 3) ≤ 2, 0. < 0. 2 ,按以上方法计算修 d L 正;
H d > 0. 2 , < 0. 35 ; d L D ( 5) > 0. 2 ,按规范 7. 3. 5 条计算 。 L ( 4)

度或结构分段长度均达数十米以上 , 超过 1/ 2 波长 。 除部分波浪从码头上下方穿越 , 大部分 波浪将被码头上下横梁等构件阻挡 , 无法绕射 而形成反射波 , 此时上横梁上的波浪力可近似 按 《设计手册》 有关公式进行计算 。 下横梁宽度一般约为 1. 0 ~ 2. 0m , 与预应 力方桩边长或混凝土管桩直径相近 , 水工建筑 物前进行波的波长均达数十米 , 因此横梁宽度 一般均 < 0. 2 倍波长 , 符合 《规范》 3. 2 条~ 7. 7. 3. 4 条的要求 , 但码头下横梁长宽比 a/ b ≥
10 , 超出规范要求 , 水流阻力系数见表 2 。

一般码头水域的水深 、 波要素只要符合以 上公式要求 , 均优先采用 《规范》 推荐的公式计 算。 当靠船构件断面变化较大时 , 可将靠船构

件不同断面分段分别计算波浪力后再叠加 。 2. 2   码头横梁的受力状态 横梁一般由下横梁和上 横梁组成 , 而上横梁一般与 矩形长 a/ 矩形宽 b 前边梁联成一片 , 形成码头 前沿垂直立面 。 码头泊位长
水流阻力系数

可以推断 , 矩形断面长宽比越大 , 由波流 产生的作用力将越小 。 由于理论研究 、 试验资 料较少 ,《规范》 亦未明确规定 , 笔者认为码头 下横梁的波浪力当断面长宽比 a / b > 1 . 5 时 ,

水流阻力系数表
1. 0 1. 50 1. 5 1. 45 2. 0 1. 30

表2
3. 0 1. 10

《水运工程》1998 年第 9 期 仍可按桩基或墩柱计算波浪力 。 2. 3   桩帽的受力状态 桩帽断面的大小主要取决于桩基规格、 数 量及其桩位布置形式 。 ( 1) 单桩桩帽 : 边长之比 a/ b ≤ 1. 5 , 满足 《规范》 要求 。 ( 2) 双桩桩帽 : 一般情况 , 桩中心距桩帽 边取一倍桩宽 , 双桩中心距取二倍桩宽 , 这样 的双桩帽长边等于 4 倍桩宽 , 短边等于二倍桩 宽 , 此桩帽的长宽比约为 2 。 笔者认为 《规范》 : 第 7. 3. 1 条规定 , 要求桩柱长宽比 ≤ 5 , 这是 1. 原试验的先决条件 , 建议有关方面进行试验 , 获取第一手资料 , 目前双桩桩帽长宽比约为 2 时 , 跟原试验条件为同一类型 ( 与桩帽长宽比 为 1. 5 相差 1/ 3 左右) 。 在实际计算中 , 当双桩 桩帽长宽比 < 2 时 , 将更加接近公式的计算条 件。 ( 3) 多桩桩帽一般长宽比为 1. 0 左右 , 符 合规范要求 。
3  尽快解决高桩码头梁板波浪力计算的有关

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大相径庭 。 3. 2   减少高桩码头上部结构波浪力措施 工程区域的水文地质条件确定后 , 当波浪 力较大时 , 在总平面布置上应避开强浪向或主 浪向 。 由表 1 可见 , 作用在纵梁上的波浪力较 大 , 从设计上应尽量减小纵梁高度 , 减小受浪 面积 , 从而减少波浪力 。 根据《规范》 圆形断面速度力系数为矩 , 形断面的 0. 6 倍 , 惯性力系数为 0. 9 倍 , 特别 是以速度力为主要特征的波浪 , 或断面边长 a 与波长 L 之比 > 0. 2 的构件应选用类似圆形断 面 , 如圆形墩台 、 八角形桩帽等断面型式 。
3. 3   研究波浪理论 , 完善波浪力计算方法

要准确获得设计波要素 , 必须加强观测 , 搜集并掌握一定的资料 , 为理论推导计算提供 依据 。 目前波浪力计算公式为经验公式 , 各经 验公式受边界条件影响 , 这就要求准确选择符 合适用范围的计算公式计算波浪力 。 特别是对 码头下横梁 、 水平撑 、 剪刀撑等构件的波浪力 计算 ; 波流共同作用的机理 ; 斜向波的计算方 法 ; 计算公式假定的波浪形态与实际情况的差 异 ;码头结构遮挡影响程度 , 以及这些众多偏 差对计算可靠度的量化分析 , 是设计人员关心 的课题 , 希望有关部门针对这些技术难点 , 加 大力度组织人力进行理论攻关 、 模型试验和现 场观测 , 以提高我国水运工程建设水平 。

问题 3. 1   设计中控制荷载的地位 控制荷载往往是决定设计方案、构件断 面 , 工程造价的主要因素 。 若波浪力为控制荷 载 , 则对波浪力的作用条件要认真分析 。 由表 1 可见 : 选取不同波浪力的计算方法 , 其结果


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