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抗冰锥体在开敞式原油码头中的应用分析.doc
抗冰锥体在开敞式原油码头中的应用分析
【摘要】大连港长兴岛30万吨原油码头工程长兴岛西北部港区,属于重冰区,冰荷载是码头设计时考虑的重要荷载之一。常规重力式圆沉箱结构需要承受较大冰荷载,增大了结构投资。长兴岛30万吨原油码头工程各墩体使用抗冰锥体结构,可有效降低冰荷载,从而增强结构安全,减少工程投资。
【关 键 词】抗冰锥体;冰荷载;圆沉箱;结构
中图分类号: U656.1 文献标识码: A 文章编号:
长兴岛30万吨油码头工程位于长兴岛西北部的北港区,北港区海域宽阔,近岸水深基本在-5~-10m以上,-25m水深离岸约1km,是环渤海地区最为优良的深水岸线资源。但该区域地处辽东湾重冰区,冰期长达90天,最大浮冰块水平尺度达2120m,厚度大于30cm,冰荷载是码头设计过程中考虑的重要因素。在长兴岛30万吨油码头工程设计过程中,码头靠船墩、系缆墩和栈桥墩均采用了常规重力式圆沉箱上增设抗冰锥体的结构方案,大幅降低了作用在码头结构上的冰荷载,保证了码头结构的安全。
本文通过分析比较常规重力式沉箱结构与增设抗冰锥体的圆沉箱结构所受冰荷载大小,说明在长兴岛30万吨油码头工程中采用抗冰锥体结构的必要性和优越性。
1.工程概况
长兴岛30万吨油码头采用“蝶”型布置,码头长度为436m,停泊水域宽120m,码头前沿底高程-25.0m,泊位顶高程+11.0m。码头共设一个工作平台及6个系缆墩、4个靠船墩,内侧靠船墩间距为82m,可兼顾到10万吨级原油船舶的靠泊,外侧靠船墩间距为130m,可满足30万吨级船舶靠泊要求。系缆墩、靠船墩顶高程+8.0m。各墩及工作平台之间采用钢质人行桥连接,桥宽3.2m。码头通过栈桥、引桥引道与东防波堤相连接,栈桥长为310.3m,共3跨,桥净宽11.2m,全宽13.6m,顶标高+11.0m,引桥引道全长205.5m。工程设计高水位2.35 m,设计低水位0.23 m,极端高水位3.40 m,极端低水位-1.40 m。重现期为50年的波浪H1%=7.73m,平均周期T=8.2s,长兴岛北部海域50年一遇的平整冰设计厚度取为47.6cm,单轴抗压强度标准值为2.35MPa,弯曲强度标准值为835kPa[1]。
2.海冰对结构的作用
海冰的特性与形态的多样化使海冰对直立结构物作用的破坏错综复杂。研究表明,对于宽体的垂直和斜度较小的结构物,可能同时存在若干种破坏模式,海冰对直立结构物作用危害最大、最受工程设计重视的为挤压破坏荷载。常规重力式圆沉箱墩体结构。
在我国《港口工程荷载规范》[2]中,冰排在直立结构物产生挤压破坏时,产生的极限挤压冰力标准值按下式计算:
F=Imkbhσc(1)
式中,F为极限冰压力标准值(kN);I为冰的局部挤压系数;m为墩横断面形状系数,取0.9;k为冰和墩之间及接触条件系数,取0.32~0.85;B为圆沉箱直径;h为计算冰厚;σc为冰的单轴抗压强度标准值,取2350kPa。
理论分析和物理模型试验研究均表明,斜度较大的结构(如锥体结构,一般斜面角度小于60度效果较好)使流冰产生弯折破坏,可有效减小冰荷载。增设抗冰锥体的重力式圆沉箱墩体结构。
目前,我国规范上倾斜结构物冰力标准值计算公式并不适用于抛石构成的斜面。国际上常用的几种斜体冰荷载计算模型中,Ralston公式的应用最为广泛。国外学者进行了大量的实验,将得到的实验值与计算值进行了比较,Ralston模型的计算结果与实验值吻合良好。在模型的整个区间内,Ralston模型的计算值稍高于实验值,说明该模型模型偏于保守,这对工程设计具有一定的指导意义。
Ralston模型作为海冰对斜体结构物的作用力计算公式如下:
水平荷载:
垂直荷载:
式中, DT为锥体顶部直径;D为水线直径;hR为冰上爬的厚度;A1,A2为取决于ρwgD2/σfh大小的系数; A3,A4,B1,B2为取决于锥体角度和冰与锥体表面摩擦系数。
3.结构承受冰荷载分析
表1、表2 分别为两种不同的圆沉箱结构所受冰荷载(重现期为50年)计算结果。在不同的计算水位下,常规重力式圆沉箱所受流冰荷载大小一致;优化后的重力式圆沉箱结构计算水位发生变化,锥体的水线直径发生变化,根据Ralston模型计算所得冰荷载也发生变化。对比两表,如采用常规圆沉箱结构各墩所受最大水平冰荷载可达17889kN,冰荷载产生的倾覆力矩可达513544 kN.m;如采用优化的结构各墩所受最大水平冰荷载仅为9339 kN,较之常规圆沉箱结构降低47.8%,海冰作用在椎体上的垂直荷载将产生稳定力矩,叠加后墩体所受倾覆力矩仅为203361 kN
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