游艇浮码头定位桩内力计算方法探讨
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摘 要：以海河内某游艇码头为例，通过Autodesk Robot建立浮桥定位桩计算空间有限元模型，对游艇码头定位桩内力进行数值计算分析，为今后游艇浮码头定位桩设计提供参考。
关键词：浮泊位;定位柱;Autodesk Robot
目前有关游艇浮码头的设计，尤其是对于水平力作用下游艇码头浮桥定位桩内力的计算，规范中尚无明确的计算方法。本文以天津海河内某游艇码头设计为例，利用有限元分析软件Autodesk Robot对游艇码头定位桩内力进行空间有限元数值分析，计算定位桩结构内力，希望该计算思路能为今后游艇浮码头定位桩设计提供参考。
1 工程概况
某工程共建设泊位40个，包括建设2个32m水上巴士泊位、36个游艇泊位和2个32m游船泊位。其中，游艇泊位北区由北至南依次布置5个18m长游艇泊位、6个15m长游艇泊位、5個12m长游艇泊位。主浮桥宽度为3m，长度为106.7m，支浮桥宽度为1.5m。主浮桥南侧设1座联系桥，宽1.2m，长度为8m，接岸结构顶标高为2.6m，结构断面见图1。
游艇泊位均采用浮箱结构。标准结构段长度为12m，结构段之间采用铰接。浮箱采用高密度聚乙烯树脂（HDPE）浮箱，浮箱内填充EPS块，通过铝合金框架连接，铺面采用防腐处理的木板。
定位桩采用Φ600mm钢管桩，桩顶标高为3.5m，桩底标高-26.5m，桩基入土深度约18m。浮箱与定位桩之间采用抱桩器进行连接，允许水位涨落时，浮箱随之涨落。
2 设计条件
2.1风
本工程区域风玫瑰图如图5所示：
各方位不同重现期的最大风速见表1。
2.2水文
2.2.1设计水位
海河常水位：1.0～1.5m
景观水位：1.5m
海河下游最高通航水位：2.5m
海河下游最低通航水位：0.52m
2.2.2波浪
拟建工程水域位于海河以内，掩护良好，波浪影响甚小。
2.2.3水流
由于海河入海口设有节制闸防止海水倒灌，海河内无潮流。据调研，夏季开闸泄洪时海河内的最大流速可达1.54m/s。
2.3冰况
本工程中码头在运营期间冰期采用除冰措施，设计中不考虑浮冰对定位桩的影响。
2.4工程地质
本工程区域各层土水平方向总体分布较均匀、稳定，泥面标高自上往下依次为②淤泥、层底标高-9.53m～-10.03m;⑥c淤泥质粘土，层底标高-14.14m～-15.13m;⑦粉质粘土，层底标高-17.73m～-18.53m;⑧粉质粘土，层底标高-22.83m～-25.33m;⑨粉土、粉砂，层底标高-30.33m～-32.03m;⑩粉砂，层底标高-m～-20.44m。其中，⑨、⑩土质较好、强度较高、分布较均匀，可作为拟建工程的桩基础桩端持力层，工程地质剖面图见图6。
本工程桩基极限侧阻力标准值qsik、极限端阻力标准值qpk、液性指数IL、桩侧土水平抗力系数的比例系数m见表2：
3 设计荷载
定位桩所受内力主要来自浮桥上作用的水平力，水平力由风、浪、流产生的船舶荷载及作用在浮箱和定位桩上的水平向水流力组成。
3.1船舶荷载
本工程浮桥系缆力为控制船舶荷载，故本文仅计算由风流作用所产生的船舶系缆力以及浮桥受到的风荷载、水流力，本工程北区游艇泊位设计船型分别为18m、15m、12m长游艇，船舶尺寸见《游艇码头设计规范》（JTS165-7-2014）。
根据《游艇码头设计规范》（JTS165-7-2014）要求，设计风速的重现期采用50年一遇，设计流速应采用结构所处在范围内可能出现的最大平均流速。由于通常条件下海河无水流流动，仅在夏季开闸泄洪时海河内的最大流速可达1.54m/s。因此，在计算系缆力、浮桥上的风荷载、水流力时考虑以下两种组合：（1）50年一遇风速，海河未泄洪;（2）6级风风速，海河泄洪。
游艇系缆力、浮桥上的风荷载按《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）有关公式进行计算，水流力按《游艇码头设计规范》（JTS165-7-2014）有关公式进行计算。经计算18m、15m、12m长游艇荷载见表3：
每个浮桥结构段可布置多艘游艇，受遮挡效应影响，相邻泊位下风向的游艇所承受的风荷载将小于上风向的游艇。遮蔽效应按照《游艇码头设计规范》（JTS165-7-2014）的规定完全遮挡的下风船其风荷载可取无遮挡时的30%，而无遮挡时的风荷载按100%考虑。
由于规范中的遮蔽效应规定的是完全遮挡的下风船的情况，当船只在浮桥上间隔停泊时，船只之间还存在较大的间距，如18m长的游船，间隔停泊时两船间距8.7m左右，计算中认为该情况下下风向船舶不再受到上风向船舶的遮挡。本工程浮桥定位桩计算时，考虑两种游艇停泊方式：①浮桥全部停泊船只，下风向船按完全遮挡;②浮桥上船只间隔布置，不考虑上风向船只的遮挡作用。间隔布置的示意图如图7所示：
3.2水流力
定位桩上受到的水流力计算按照《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）有关公式进行计算。
4 数值模型的建立
4.1数值模型的建立
本工程通过采用Autodesk Robot建立游艇码头浮桥及定位桩空间计算模型，定位桩采用梁单元，浮桥采用板单元，桩土相互作用通过在桩上设置弹性地基单元实现，弹性地基系数k根据m法计算确定。计算模型如图8所示：
由于Robot中板单元无法直接添加集中荷载，模型中系缆力考虑转换为船体与浮箱接触范围内均布线荷载施加在浮桥上，具体施加方式如图9所示： 4.2数值模型的相关简化
由于游艇码头浮箱平面布置较为灵活、浮箱面积较大、单元较多，因此在建模计算时需对计算模型进行若干简化。
4.2.1定位桩与抱桩器的连接
为了保证浮桥结构能够随水位变化而上下浮动，抱桩器与定位桩之间一般留有一定的间隙，若模型中考虑间隙的存在计算模型复杂且不容易收敛，因此本计算模型假设定位桩与抱桩器之间的连接为理想的铰接约束。但是在桩基水平受力条件下，由于缝宽位移的存在，桩基变位有所增加，致使桩基受到的内力相应增大，因此Robot模型计算出的内力值应乘以一个单桩受力增大系数。根据《游艇码头设计规范》（JTS165-7-2014）7.5条文说明，单桩受力增大系数介于1.06～1.60之间。本工程单桩受力增大系数取1.30。
模型中桩与板的节点处设置柔性连接，释放桩节点在转动方向上的约束，形成铰接连接。
4.2.2浮桥
游艇浮桥是由若干浮箱相接，浮箱漂浮在水中，浮箱抱桩器与定位桩之间留有空隙，浮箱受到的竖向荷载与浮力平衡，浮箱仅传递水平荷载给定位桩。浮箱之间通过铝合金框架连接，形成一个浮桥整体。在水平受力方向上，浮桥结构刚度远大于定位桩刚度，因此在计算模型中，将浮箱及其上部的铝合金框架作为一个整体，结构采用刚性板。
Robot中刚性板单元不设置有限元单位，面板无需考虑板厚，即面板的自重不参与计算，单元仅进行传递荷载及连接功能，可对荷载传递模式和板节点连接模式进行设置。根据上述简化，抱桩器按铰接处理，模型中板节点考虑柔性支撑，释放板节点在转动方向上的约束，形成铰接连接。板单元计算模型设置见图10：
5 计算结果
通过对两种停泊布置分别建模计算，游艇间隔停泊不考虑上风向船只遮挡的布置方式最为不利，通过分析计算结果，浮桥由于其结构布置不均匀性，使得定位桩受力呈现空间分布特点，在桩基强度校核中应考虑桩基的复合受力模式。作用在桩基上的轴力、弯矩分布如图11～14所示，图中内力数值为Robot 模型计算值，未乘以单桩受力增大系数1.30。
考虑由于抱桩器间隙引起的单桩受力增大系数1.30，作用于桩基上最大弯矩Mx=817.01 kN·m，最大弯矩My=47.67 kN·m，最大剪力149.05kN。
6 与单桩水平向承载力计算方法的比较
对于浮码头定位桩计算，不采用有限元的计算方法时，可考虑每艘船的系缆力由该支浮桥上的定位桩承受，定位桩内力按水平力作用下的单桩内力计算。
以18m游船为例，该游船停靠支浮桥上布置两根定位桩，支浮桥所受水流力、游艇系缆力由支浮桥上两根桩共同承担，考虑两桩之间受力不均匀，水平力应考虑乘以不均匀系数1.50。桩基内力通过采用丰海SPCZL单桩水平承载力计算软件计算，桩土相互作用采用m法，计算结果见图15：
通过表4可以看出，与Robot计算结果相比，单桩水平受力计算方法中桩基顶端自由，没有考虑到实际状况定位桩在浮箱处受抱桩器约束，定位桩泥面以上为悬臂结构，故计算出的桩基内力偏大。同时定位桩受力只考虑浮桥临近的桩基，通过荷载乘以不均匀系数体现受力不均匀性，该计算方法中可能无法准确的反映出桩基受力空间分布，计算结果明显偏保守;Robot建模计算中，计算模型反映出浮桥对桩基顶端的约束，同时该计算模型为空间模型，作用在浮桥上的水平荷载通过浮桥传递给各定位桩，能更准确反映出荷载在各定位桩之间的分布。因此，綜上考虑本文认为采用Robot建模计算定位桩内力为一种更合理的计算方法。
7 结语
目前浮泊位定位桩内力规范中没有明确的计算方法，在设计过程中缺少相应的计算依据。本文依托天津海河某游艇码头，介绍了采用有限元软件Robot进行游艇浮泊位定位桩内力计算的计算思路，详细阐述了计算过程中设计荷载计算以及建模过程中的简化考虑。由于本工程暂未完成，该计算方法目前还缺少相应的实际使用观测资料进行验证，希望本文提出的计算思路能对今后的相关设计工作提供一定的参考。
参考文献：
[1] 《游艇码头设计规范》（JTS165-7-2014）;
[2] 《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）;
[3] 《水运工程抗震设计规范》（JTS 146-2012）.
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