海洋环境大直径深长桩基钢护筒设计作用组合的计算与分析

冯忠居，袁枫斌，李孝雄，尹洪桦，张福强，刘 闯，马晓谦，吴敬武，孙平宽，蒙超荣

1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064

2. 海南省交通运输厅，海南 海口 570000

3. 海南省公路勘察设计院，海南 海口 570000

4. 中国公路工程咨询有限公司，北京 100097

海洋环境大直径深长桩基钢护筒设计作用组合的计算与分析

Calculation and Analysis of Action Combination for Design of Steel Casing of Large-diametered Deep Pile Foundation in Marine Environment

冯忠居1，袁枫斌1，李孝雄1，尹洪桦1，张福强2，刘 闯2，马晓谦3，吴敬武4，孙平宽4，蒙超荣1

1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064

2. 海南省交通运输厅，海南 海口 570000

3. 海南省公路勘察设计院，海南 海口 570000

4. 中国公路工程咨询有限公司，北京 100097

0 引 言

随着跨海桥梁日益增多，大直径桥梁桩基及其相关设施的作用组合计算逐渐成为热点问题。近年来，相关专家对海洋环境下桥梁墩柱承受的风荷载、波浪荷载、水流力等的计算进行了相关探索与总结[1]。1983年Troesch等人对1：115的半潜式海洋平台模型进行了风洞试验，计算了作用在其上的风荷载。时军[2]利用简谐波叠加法计算了模型的脉动风荷载，得到了风作用时段内模型构件的瞬时风荷载，并对其做了统计分析。陈小波等[3]基于Morison方程和流函数理论计算了近海风机非线性波浪荷载，并研究了波浪自由面对近海风机非线性波浪荷载的影响，同时探讨了不同桩径下浅水区非线性波浪荷载的特性。刘德辅等[4]在大量试验和海上实测资料的基础上，对Morison公式中的速度力系数、惯性力系数的取值进行了不确定性分析，得到了相应的协方差，该值对海洋工程概率设计及可靠性分析具有重要意义。李玉成[5]探讨了将环境条件差异而造成水动力系数的变化归化为Kc数的恰当定义和不规则波、特征波的恰当选用，从而得到规则波与不规则波、纯波与波流共存不同条件下归一化的水动力系数Cd、Cm与Kc数的相关结果。 张建龙[6]运用流场分析软件Fluent对洪水期水流形态下桥梁下部桩柱结构进行三维流场数值模拟分析，得到了超临界区雷诺数水流形态情况下单桩以及不同桩净距与桩直径之比（L/D）下串联双桩和串联三桩的桩周水流特征。 陈云鹤等[7]考虑锚链受到的水流力和弹性变形的影响因素，将各点的静力平衡方程相互叠加，建立了锚链力方程并进行了算例的计算。姚文伟等[8-10]重点讨论了承台对桩基上波浪力的影响，给出了承台下桩柱的波浪力变化规律，同时针对某典型桩基结构布置形式给出了承台效应系数和群桩系数随相对水深、无量纲承台半径、相对吃水深度等参数的变化规律。

由于海洋环境中的桥梁桩基础均采用钢护筒，因此，在桩基成桩前综合分析钢护筒承受的多种作用力组合是确保桩基础顺利施工的关键。

1 工程概况

铺前大桥跨越铺前湾，于后溪村西北角进入北港岛，沿岛西北部展线，二次跨越铺前湾，在塔市落地，穿过养殖场后，同海口市规划的江东大道二期相接，路线总长5.597 km，其中铺前大桥为该项目的控制性工程，全长3.959 km。铺前大桥为（230 m+230 m）两跨独塔钢箱梁斜拉桥，其中主墩基础采用2个分离式承台，在单个承台下呈行列式布置，每个承台下采用16根D4.3 m、D4.0 m钢管复合桩，左侧桩长38 m，右侧桩长29 m，按端承桩设计，桩尖持力层为微风化花岗岩，并嵌入微风化岩层不小于13 m。钻孔桩采用C35混凝土，单桩混凝土设计方量为511.7 m3（388.9 m3），钢管与钢筋混凝土共同组成桩基础结构主体共同受力。主筋为HRB400的Φ36 mm钢筋，主筋间采取滚扎直螺纹连接，单根桩最大钢筋笼重85 t。主墩钻孔桩具体参数见表1。

（1）波向。以偏北向浪为主，N—NNE—NE方向的波浪出现率为64%，其中NNE向浪最多，占29%；其次为N向和NE向，分别为18%和17%；其他方位波浪出现较少，各向频率均小于5%。累年各波向频率统计见表3。

（2）波高。海域波浪平均高度以NNE、NE和W向为大，为0.7 m，其余各向平均波高较小，为0.3～0.6 m。最大波高以N向最大，达3.5 m；而SSW、ESE和SE向较小，为0.6～1.0 m。累年各波向平均波高、最大波高统计见表4。

表1 主墩钻孔桩具体参数

表2 累年月风浪、涌浪频率 %

表3 累年各波向频率 %

表4 累年各波向平均波高、最大波高 m

（3）周期。偏北向浪周期较长，为3.7～4.0 s，偏南向浪周期较短，为2.7～3.3 s。累年月平均波高、最大波高、月平均周期、最大周期见表5。

表5 累年月平均波高、最大波高、平均周期、最大周期

根据2年波浪观测资料，按港工规范要求推算出50年重现期的波浪要素：波高（H4%）为3.4 m，周期为6.6 s；20年重现期的波浪要素：波高（H4%）为3.2 m，周期为6.3 s。

2 铺前大桥大直径深长桩基钢护筒海洋环境作用的计算

当钢护筒埋置在软土层中，仅考虑保护井壁的作用时忽略海水浮力以及由地层自重产生的桩侧土压力，钢护筒的受力状态如图1所示。

图1 钢护筒受力状态

铺前大桥大直径钢护筒所承担的横向荷载主要与所处的海洋环境有关，包括风力荷载、波浪荷载、洋流荷载、冰荷载等荷载的组合。海洋环境水平荷载组合的抗力为地基对护筒的横向支承力。本文主要对铺前大桥大直径钢护筒所承担的横向荷载进行计算分析。

大直径钢护筒所受海洋环境荷载组合的计算公式为

式中：Hmax为护筒最大横向荷载；FD为平均风荷载；f为波浪荷载；P为冰荷载；F1为水流力。

综上所述，核磁共振诊断膝关节半月板损伤的效果显著，通过膝关节半月板形态、信号改变等判断损伤程度，为临床诊治提供依据。

2.1 平均风荷载计算

铺前大桥钢护筒承受的平均风荷载为

式中：由于钢护筒高度小于30 m，风振系数βz近似取1；钢护筒表面为圆柱形，风荷载体型系数μS取0.8；铺前大桥钢护筒所处区域为B类场地，风压高度变化系数μz取1；查《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）可知，海南地区海口市基本风压ω0为0.75 kN・m－2。最后计算可得FD为0.6 kN・m－2。

2.2 波浪荷载计算

采用Morison法对铺前大桥钢护筒承受的波浪荷载进行计算。计算中假定钢护筒尺寸相比于波浪长度较小，并不影响波浪场。波浪荷载由2部分组成，即惯性力和速度力。其中迎波面宽度与波长比值大于0.2，故采用流体的绕射理论计算，计算中认为钢护筒全宽上流体压力梯度不变，速度分力PD与惯性分力P1的计算公式分别为

其中：CD为速度力系数，CM为惯性力系数，综合文献资料，选取飓风Edith期间实测资料计算所得CD、CM分别为0.77、1.53；为海水容重，经现场实测取1 032 kg・m－3；H为计算波高，按港工规范要求推算出的50年重现期的波浪要素，波浪（H4%）为3.4 m；D为钢护筒迎波面宽度，为4.3 m；A为钢护筒截面面积，为1.95 m2。计算可得PD为19.75 kN，P1为17.80 kN。

2.3 水流压力计算

铺前大桥大直径钢护筒承受水流力为

式中：k为形状系数，取1；r为海水容重，经现场实测取1 032 kg・m－3；A为构件截面面积，取37.68 m2；v为水流流速，经现场测试取0.9 m・s－1；g为重力加速度，取9.8m・s－1。计算可得F1为1.607 kPa・s－1。

3 作用组合计算

对铺前大桥大直径钢护筒进行承载能力极限状态计算，选用基本作用组合类型，即永久作用标准值效应与可变作用标准值效应的组合，其表达式为

1.1 ，其余可变作用取1.4。

对风荷载、波浪荷载及水流压力进行作用组合计算，得到海洋环境大直径深长桩基钢护筒承载能力极限状态的作用效应组合设计值为43.59 kN・m。

4 结语

本文依托铺前大桥实体工程对海洋环境特大型桥梁大直径深长桩基钢护筒荷载组合进行计算，主要结论如下。

（1）规范中给出的风荷载计算方法的准确性主要取决于大直径钢护筒所处区域场地土类型的判别及基本风压值的选取。

（2）采用Morison法对铺前大桥钢护筒承受的波浪荷载进行计算，计算结果表明，铺前大桥大直径钢护筒承受的波浪荷载中速度分力大于惯性分力，超出了11%。由此可见，海水波浪速度大小对大直径钢护筒所承受的波浪荷载影响较大。

（3）海洋环境中，钢护筒所承受的横向荷载更加复杂，影响因素更加多样化，包括风力荷载、波浪荷载、洋流荷载等。为防止钢护筒发生形变，提高钢护筒抵抗横向变形的能力，可在第一节顶部设置环钢带，并在之后的管节设置剪力环。

[1] 冯忠居,谢永利.大直径钻埋预应力混凝土空心桩承载力的试验[J].长安大学学报:自然科学版,2005,25(2):50-54.

[2] 时 军.海洋平台上的风荷载计算研究[D].大连:大连理工大学,2008.

[3] 陈小波,李 静,陈健云.基于流函数理论的近海风机非线性波浪荷载计算[J].湖南大学学报:自然版,2011,38(3): 22-28.

[4] 刘德辅,王 超,林 欣.波浪力系数 Cd、Cm的不确定性分析[J].中国造船,1991(2):31-39.

[5] 李玉成. Morison方程水动力系数归一化的探讨[J].水动力学研究与进展(A辑), 1998(3): 329-337.

[6] 张建龙.冲刷后结合洪水期水流力对连续梁桥进行静力与地震响应分析[D].西安:长安大学,2015.

[7] 陈云鹤,赵 晶.考虑水流力作用的锚链力计算方法[J].解放军理工大学学报:自然科学版,2016,17(2): 116-120.

[8] 姚文伟.桩基结构物波浪力的工程计算方法[D].上海:上海交通大学,2009.

[9] 吴永盛.海洋环境大直径钢护筒沉放的施工技术及工艺[J].福建建筑,2013,(5),71-73.

[10] 刘贞飞.海底管道冲刷及波浪力试验研究[D].青岛:中国海洋大学, 2007.

海南省交通运输厅科技计划项目（HNZXY2015-045R）