海洋观测平台的作用对于港区开发建设十分重要,海洋观测平台能提供相对准确的水文、气象、波浪、水流等基础资料,为港区建设及海洋环境监测、预测提供设计依据。但海洋观测平台平面横纵向尺寸较小,布置桩数量较少,在建造和使用期间承受波浪荷载、风荷载等自然环境引起的载荷,受力复杂,其工程造价和施工工艺对工程建设及进度有直接影响。本文针对典型的海洋观测平台结构进行计算分析并建立平台三维模型,分析平台基础结构受力特点,并结合施工工艺、造价对方案进行优化,为类似的工程结构方案提供指导和参考。
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海洋观测平台概况
本海洋观测平台为离岸式桩基海洋观测平台,受周边建筑物的影响小,自然条件较为恶劣,施工投入大,建设投资较高。主要功能是收集附近海域的水文、气象和水质资料。水文观测主要是进行水温、盐度和潮位的数据采集;气象观测主要是进行气温、气压、湿度、降水量、风速、风向、能见度的采集;水质观测主要是进行叶绿素-a、溶解氧、盐度、pH、表层水温、浊度、蓝绿藻的监测。另外布设波浪浮标或测波雷达观测海浪和海流。
海洋观测平台分为下部基础结构和上部建筑结构,自下而上主要由桩基、墩台、井筒、工作室、楼顶观测场等部分组成。桩基和墩台是平台的基础结构,用来支撑整个平台,墩台为船舶靠舶及设备上下平台的基础设施;井筒主要为表层海水温盐传感器、潮位传感器提供工作环境;工作室主要用来布放系统设备,如电池、工作机、通讯设备等;楼顶观测场用来布设气温、能见度传感器、雨量传感器、风速、风向传感器,太阳能供电系统设备、通讯设备、监控设备等。
海洋观测平台采用高桩墩台式结构,桩基采用钢管桩。桩基顶部为现浇钢筋混凝土靠船工作墩台,墩台中心为镂空设计,镂空面积和位置综合考虑桩基和井筒位置,墩台靠船面与常流向一致,并安装橡胶护舷、系船柱等附属设施,保证工作船在正常情况下能正常靠泊。墩台顶面标高为6.0m,墩台底高程为4.0m,原泥面底高程为-12.89m,平台结构按承受50年一遇波浪设计。平台的主要构成如图1所示。
图1 海洋观测平台构造图
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主要设计条件
2.1 设计水位
设计高水位：6.08m;设计低水位：0.73m;极端高水位：8.16m;极端低水位：-0.50m。
2.2 设计波浪
海洋观测平台所在位置的常浪向在NW-SE之间,强浪向在NW-NE之间,不包括无浪天的各方向年平均波高为0.48m。设计水文及波浪要素条件如表1所示。
2.3 工程地质
海洋观测平台处的地质从上至下主要由表层淤泥质粉质粘土、淤泥质粉质粘土与粉砂互层、粉质粘土混砂夹层、粘土、粉细砂组成。表层分布的淤泥质粉质粘土和淤泥质粉质粘土与粉砂互层土体均匀性差,为中～高压缩性土;粉土和粉砂夹层呈松散～稍密状,且为可液化土层,上述土层为勘察区的软弱土层,工程地质性质差。上层粉细砂主要呈稍密～中密状,局部为可液化土层,该层平均标贯击数N=17.8击;粘土分别呈软塑～可塑状、可塑～硬塑状,均为高压缩性土,工程性质一般。最下层粉细砂呈密实状,该层平均标贯击数N=48.6击,土层厚度较大,承载力高,可作桩端持力层使用。
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海洋观测平台基础初始方案
3.1 结构初始方案
由于本工程建设于外海,为孤立平台,地质以淤泥、粉细砂和粘土为主,可作为结构持力层的粉细砂层埋藏较深,因而平台结构宜采用高桩墩式结构。考虑到海洋观测平台所处位置波浪较大,施工速度要求较高,桩尖持力层埋藏较深,造成平台基础的桩长较长,预应力混凝土桩虽然轴向承载力大,但其抗弯性质差,而钢管桩承载力高,可承受较大的水平荷载,本工程桩基采用钢管桩。
初始方案桩基采用8根Φ1400mm的钢管桩,其中7根Φ1400mm钢管桩为斜桩,斜率4：1和5：1,1根Φ1400mm钢管桩布置为直桩,桩顶进入墩台底部100mm,斜桩桩底标高-64.0m,直桩桩底标高-55.0m。桩基顶部为现浇钢筋混凝土靠船工作墩台,墩台平面尺寸为8.0m×8.0m,厚2.0m,墩台顶面高程为6.0m,底标高为4.0m。墩台靠船面与常流向一致,并安装橡胶护舷、系船柱等附属设施,保证工作船在正常情况下能正常靠泊。墩台镂空设计,镂空面积和位置综合考虑桩基和井筒位置,确定镂空尺寸为2.4m×2.4m,位于墩台的中心。墩台镂空用于减轻海浪对平台的冲击力,同时也将水尺、井筒、水下观测仪器等设备与墩台和下部钢平台连接。另外,镂空处安装的爬梯也便于下部结构维修时人员上下行走。初始方案的桩位布置图如图2所示。
图2 海洋观测平台桩位布置图（初始方案）
3.2 模型计算及结果分析
采用国际通用有限元计算软件Argol建立海洋观测平台三维模型,初始方案的模型如图3所示,模型计算采用假想嵌固点法。桩基础所受外力主要为墩台和上部结构建筑物自重、波浪力、水流力、风压力等。
图3 海洋观测平台计算模型（初始方案）
按承载能力极限状态持久作用效应组合、承载能力极限状态短暂作用效应组合分别计算各桩的轴力、应力,根据规范采用经验参数法[2]确定单桩轴向抗压极限承载力设计值和单桩轴向抗拔极限承载力设计值,计算得到单桩桩基承载力。初始方案的计算结果见表2。
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海洋观测平台基础优化方案
4.1结构优化方案
尽管初始方案满足使用要求,但初始方案桩基数量较多,考虑到工程造价、施工难度及施工周期等因素,初始方案仍需优化。优化后的方案结构调整如下：
桩基采用4根Φ1800mm和1根Φ1400mm的钢管桩,其中Φ1800mm钢管桩为斜桩,斜率4：1,Φ1400mm钢管桩布置为直桩,桩顶进入墩台底部100mm,斜桩桩底标高-64.0m,直桩桩底标高-55.0m。考虑到桩与桩之间的距离不宜太小,墩台平面尺寸为8.5m×8.5m,其余设计与初始方案相同。优化方案的桩位布置图如图4所示。
图4 海洋观测平台桩位布置图（优化方案）
4.2模型计算及结果分析
优化方案的模型如图5所示。
图5 海洋观测平台计算模型（优化方案）
优化方案的计算结果见表3。
由计算结果可见,初始方案斜桩的最大压桩力、拉桩力与优化方案相差不大,而初始方案的直桩最大压桩力、拉桩力均大于优化方案,优化方案斜桩承受的轴向应力较大,两种方案的结构承载力均满足要求。优化方案中桩基的数量更少,打桩施工速度更快,且考虑到海洋观测平台结构中桩基、承台在工程建设费用中所占比重较大,从经济角度对两种结构布置方案进行分析比较,优化方案的估算费用较初始方案节省15.2%,优化方案更为经济。
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结语
以典型海洋观测平台结构为例,对平台基础结构布置进行优化,得出结论：
1)离岸式海洋观测平台多数建设于外海,为孤立平台,外海施工波浪大条件较差。若平台所处地质以淤泥,粉细砂和粘土为主,平台基础水工结构宜采用墩台式钢管桩基结构,结构方案成熟可靠,施工简便快捷。
2)初始方案和优化方案的基础结构在最不利工况下,桩基的内力值均满足设计要求。但优化方案桩基数量较少,施工速度快,且工程造价低,优化方案的结构布置更为合理。
来源 | 本文原刊于《珠江水运》2024年7月
作者 | 孙丽 杨亚先
转载 | 自数智深蓝公众号
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