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探析風(fēng)浪對碼頭建設(shè)的影響

文檔作者：李晨文檔來源：上海三航奔騰建設(shè)工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月07日
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2017年 1月 建 材 與 裝 飾
探析風(fēng)浪對碼頭建設(shè)的影響
李晨
（上海三航奔騰建設(shè)工程有限公司上海200441）
摘要：風(fēng)浪是碼頭建設(shè)中十分重要的動力因素，如果風(fēng)浪破壞力較大，則會對碼頭建設(shè)造成不良影響。對此，本文首
先以某碼頭為研究對象，對風(fēng)浪對碼頭建設(shè)的影響進(jìn)行分析，然后對碼頭建設(shè)優(yōu)化對策進(jìn)行詳細(xì)探究，以期提高碼頭建設(shè)
質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：碼頭建設(shè)；風(fēng)浪；影響
中圖分類號：U656.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-0038（2017）01-0005-02
1 引言
碼頭上部結(jié)構(gòu)的安全性與風(fēng)浪的沖擊作用有一定的關(guān)聯(lián)，在
惡劣的風(fēng)浪情況下，碼頭需要承受較大的風(fēng)浪沖擊壓力，不僅會
導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，而且還會導(dǎo)致碼頭受到局部破壞，從而，本
次探討碼頭建設(shè)中風(fēng)浪的影響意義重大。
2 風(fēng)浪對碼頭建設(shè)的影響研究
2.1 碼頭概況
某碼頭為高樁梁板式結(jié)構(gòu)。樁基結(jié)構(gòu)為d800mm 的預(yù)應(yīng)力混
凝土管樁；該碼頭是由長350m、寬25m 的7 榀排架組合而成的，
總共被分為6 段，其中2 段長度為59.29m，3 段長度為59.78m，
另外1 段長度為51.98m，在各個分段之間，采用懸臂及進(jìn)行連
接。碼頭平臺的上部結(jié)構(gòu)施工采用縱、橫梁不等高的連接施工方
法。
2.2 風(fēng)況
在調(diào)查該碼頭風(fēng)況過程中，應(yīng)當(dāng)按照碼頭附近的氣象站的年
最大值系列開展頻率分析工作，同時測出各個方向的設(shè)計風(fēng)速。
同時，按照《海港水文規(guī)范》中的有關(guān)要求，對各個重現(xiàn)期的設(shè)計
風(fēng)速進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表1 所示。
2.3 波浪
該碼頭堤前波浪主要是由于局部風(fēng)場所形成的，對此，可以
根據(jù)風(fēng)資料推算波浪，確定堤外海域深水波要素，然后再根據(jù)波
浪淺水變形，對堤前設(shè)計波要素進(jìn)行設(shè)計計算。在該碼頭建設(shè)
中，設(shè)計風(fēng)向取為主風(fēng)向，根據(jù)計算分析，度左右各45°方向的風(fēng)
速和風(fēng)區(qū)進(jìn)行鹽酸，同時，對行波要素進(jìn)行比較。計算考慮實(shí)測
波浪方向的歸并，自NNW-SW 向逐步調(diào)整入射角度，找出最不
利的波浪方向，在對折射繞射變形進(jìn)行計算時，可以依據(jù)波要素
組合為平均波高及平均波周期。對于碼頭前沿設(shè)計波浪要素的
計算結(jié)果如表2 所示。
2.4 模型單元
建立有限元模型，對于泥面以上到平臺頂部水面以下的鋼管
樁以及泥面以下的鋼管樁，可以分別采用PIPE59 單元以及
PIPE16 單元進(jìn)行模擬；對于平臺頂部睡眠以上的剪刀撐和聯(lián)系
桿，可以采用空間BEAM4 單元進(jìn)行模擬；對于碼頭底部甲板，可
以采用SHELL63 單元進(jìn)行模擬。需要注意的是，在對施工平臺結(jié)
構(gòu)進(jìn)行建模和計算時，需要在單元類型變化位置設(shè)施關(guān)鍵點(diǎn)。
2.5 邊界條件
在本次研究中，采用采用假想嵌固點(diǎn)法，對施工平臺結(jié)構(gòu)中
的鋼管樁與河床地基土之間的作用力進(jìn)行分析，具體而言，首
先，在泥底面以下一定深度位置嵌固平臺樁，然后采用ANSYS
軟件，建立高樁碼頭有限元計算模型，如圖1 所示。
2.6 波浪力分析
①根據(jù)有限元分析，如果該碼頭沒有受到風(fēng)浪影響，則變形
比較小，且在X 方向，最大位移出現(xiàn)在斜樁中間位置，在Y 方向，
最大位移出現(xiàn)在端部排架的斜樁中部位置，在Z 方向，位移出現(xiàn)
在面板上。②當(dāng)該碼頭受到風(fēng)浪的沖擊作用后，斜樁會產(chǎn)生嚴(yán)重
變形，且變形形狀與重力相撞類似，碼頭樁出現(xiàn)失穩(wěn)問題。
2.7 高樁碼頭整體ANSYS 分析
①在風(fēng)浪作用下，碼頭樁會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，而該碼頭是
由6 個區(qū)段建設(shè)而成的，各個區(qū)段的受力空間相互耦合，因此，
在不同方向上，位移會有所增加。②碼頭整體的最大應(yīng)力小于各
個區(qū)段的最大應(yīng)力。③懸臂對碼頭區(qū)段間的連接作用有限，因
風(fēng)向組頻率（%）N-NNE NE-ENE E-ESE NW-NNWW-WNWSW-WSW S-SSW
1 30.4 38.1 33.7 29.3 33.5 31.7 37.2
2 27.8 34.0 30.2 26.3 29.5 27.5 32.3
5 24.4 28.6 25.6 22.5 24.1 22.4 26.1
表1 工程點(diǎn)設(shè)計風(fēng)速（m·s-1）
H1%
（m） H4%
（m） H5%
（m） Hs（m） H（m） L（m） T（s） 波向（°）
2.9 2.5 2.5 2.1 1.4 34.7 5.1 202.5
2.4 2.1 2.1 1.7 1.1 29.6 1.6 225.0
2.6 2.3 2.2 1.9 1.3 32.0 1.8 247.5
2.7 2.3 2.3 1.9 1.3 33.6 5.1 270.0
2.7 2.3 2.3 1.9 1.3 33.6 5.1 292.6
2.4 2.1 2.0 1.7 1.1 30.5 4.7 315.0
2.6 2.2 2.1 1.8 1.2 31.3 4.8 337.6
表2 碼頭前沿設(shè)計波浪要素計算結(jié)果
圖1 高樁碼頭有限元模型
施工技術(shù)
·5·
萬方數(shù)據(jù)
建 材 與 裝 飾 2017年 1月
此，可以將碼頭區(qū)段看作為獨(dú)立的受力體系，在碼頭設(shè)計建設(shè)
中，可以選取高樁碼頭的1 個區(qū)段進(jìn)行計算。
2.8 結(jié)果分析
①根據(jù)本次有限元分析發(fā)現(xiàn)，碼頭各階自振頻率較低，對于
波浪等荷載的動力效應(yīng)不明顯；②碼頭區(qū)段在未受到波浪力時，
并未有較為明顯的變形；而在波浪力的作用下，斜樁的形狀都出
現(xiàn)內(nèi)凹形比較大的變化，這種變化與重力情況一樣的，碼頭樁在
受到波浪后出現(xiàn)失穩(wěn)情況；③碼頭的半叉樁和斜樁在波浪作用
下容易發(fā)生失穩(wěn)，建議對半叉樁及斜樁進(jìn)行有效處理。
3 碼頭建設(shè)防風(fēng)浪措施
3.1 港口布局選擇
首先，由于港口處在隱蔽環(huán)境良好的碼頭很難會受到風(fēng)暴潮
的作用力，因而為切實(shí)做好防風(fēng)暴潮工作，應(yīng)當(dāng)選取那些隱蔽環(huán)
境相對良好的港口碼頭、布局。若是缺乏隱蔽環(huán)境良好的港灣或
者該區(qū)域不具備此種條件的港灣時，應(yīng)按照該區(qū)域?qū)嶋H波浪情
況，為避浪擋風(fēng)，應(yīng)當(dāng)最大程度發(fā)揮渾然天成的擋風(fēng)浪環(huán)境，比
如說灣外島嶼、寬敞海灣山地等，能夠有效減弱風(fēng)暴潮的影響。
除此之外，應(yīng)當(dāng)將擬建港口大小、作用以及性質(zhì)等區(qū)別開來，根
據(jù)各自具體情況布局。至于那些遠(yuǎn)景規(guī)模較小港后，應(yīng)當(dāng)最大限
度發(fā)揮出天然環(huán)境的作用來開展建設(shè)。而關(guān)于那些抗風(fēng)能力不
是特別好的散貨船只和大型郵輪，若是泊位數(shù)要求不高時，可最
先將建設(shè)外海開敞式碼頭考慮在內(nèi)。而針對位于防風(fēng)浪環(huán)境不
是特別好的開敞式海灣碼頭，應(yīng)當(dāng)按照該區(qū)域的實(shí)際波浪特點(diǎn)，
合理分配各種防波堤設(shè)施。在基于造價、成本的綜合考慮之下，
適當(dāng)提高防波堤的圍護(hù)范圍能夠有力降低弱波浪的繞射作用，
進(jìn)而減少碼頭前沿波高，以此做到降低碼頭成本、增多碼頭營運(yùn)
時間等。
3.2 技術(shù)措施
3.2.1 加強(qiáng)波浪觀測和科學(xué)研究
就目前的情況來看，某些區(qū)域不具備充足的波浪觀測站，并
且代表性不佳。從而，相關(guān)水利、海洋等部門應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加觀測
站，比如說沿海重點(diǎn)發(fā)展的港區(qū)建設(shè)，進(jìn)而切實(shí)加大臺風(fēng)浪的監(jiān)
測力度，增強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。與此同時，加強(qiáng)風(fēng)暴潮對港航設(shè)
施影響的數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗(yàn)研究，加強(qiáng)風(fēng)暴潮特性、港航
工程在波浪和水流共同作用下的受力機(jī)理、損毀機(jī)理、斷面形
式、越浪等方面的研究。
3.2.2 改進(jìn)設(shè)計波浪推算方法
按照《海港水文規(guī)范》中的有關(guān)要求，設(shè)計波浪的推算樣本的
選取為年極值法，即使用各年的最大波高值。然而年極值法仍舊
存在諸多缺陷，主要是其不可將臺風(fēng)多發(fā)區(qū)波浪的性質(zhì)完全顯
示在波浪的推算方法和統(tǒng)計分析中，比如說在樣本選取的年份
內(nèi)會發(fā)生小、大浪年同時出現(xiàn)的情況，甚至大浪年的次大值還大
于小浪年的最大值。因此，若是各年只取一個波高值，那么得到
的就是小浪年的較小值。根據(jù)以上情況的分析得出，年極值法難
以展示出臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)的波浪性質(zhì)，因而，應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變方式，不使
用一年僅取一個極值的方式，如此一來，不但可以調(diào)節(jié)波浪統(tǒng)計
系列的年限，而且可以把最新臺風(fēng)浪加以補(bǔ)充，從而系列的重心
后移，并且利用復(fù)合極值分布方式，綜合考慮到臺風(fēng)發(fā)生頻次極
值波高概率預(yù)測的影響。
3.3 工程措施
3.3.1 適當(dāng)提高防波堤設(shè)計波浪標(biāo)準(zhǔn)
設(shè)計波浪偏低與標(biāo)準(zhǔn)選取、計算方式以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量等密
切相關(guān)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量的完善尤其是長系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)按照
設(shè)置新的波浪觀測站同時長時間的累積才可解決。在基于當(dāng)前
觀測方式和數(shù)據(jù)之下，相對可行的方式即為針對臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)，
按照造價、受臺風(fēng)影響程度、工程位置、重要性、結(jié)構(gòu)類型等狀況
來合理提升相關(guān)建筑物的設(shè)計波浪要求。
3.3.2 適當(dāng)提高護(hù)面和護(hù)底塊體的標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)防波堤受到破壞的具體情況可以得出，護(hù)面、護(hù)底塊石
的重量和厚度在確保防波堤的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。因
為設(shè)計波浪推算受到各種觀測資料代表性不佳、臺風(fēng)浪反應(yīng)機(jī)
制不健全及推算方法不準(zhǔn)確等方面的負(fù)面作用，從而，在基于設(shè)
計波浪確定的護(hù)面、護(hù)底塊石要求上，可以適當(dāng)提高富裕量。
3.3.3 優(yōu)化平面布置，縮短無防護(hù)施工期，減少施工期損壞
通過利用防波堤分離與碼頭結(jié)構(gòu)的平面布置方式，能夠最大
程度減少防波堤的施工時間，實(shí)現(xiàn)碼頭施工的有效掩護(hù)，進(jìn)而降
低越浪在碼頭設(shè)備和構(gòu)造等方面的作用力。除此之外，應(yīng)當(dāng)通過
當(dāng)今新型材料的應(yīng)用，切實(shí)改進(jìn)并完善相關(guān)施工方式、設(shè)施以及
工藝等，從而達(dá)到減少施工工期的目的。
4 結(jié)語
綜上所述，在碼頭建設(shè)中，大風(fēng)浪容易造成碼頭失穩(wěn)定，碼頭
結(jié)構(gòu)受到破壞問題問題。因此，在碼頭建設(shè)前，首先需要對當(dāng)?shù)?
風(fēng)浪因素進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化工程設(shè)計，并采取有效的
技術(shù)措施、工程措施加強(qiáng)碼頭防護(hù)，保障碼頭建設(shè)的順利進(jìn)行。
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收稿日期：2016-12-20
作者簡介：李晨（1983-），男，工程師，主要從事港口航道碼頭建
設(shè)及市場招投標(biāo)工作。
施工技術(shù)
·6·
萬方數(shù)據(jù)

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