1、港口工程设计中桩基冰荷载计算探讨摘要：冰荷载对透空式的高桩码头和墩式码头有很大的危害性,在北方港口工程设计中,冰荷载通常是控制荷载，如何考虑冰荷载对码头桩基的作用是港口工程设计中经常遇到的问题。本文通过分析某工程码头及引桥抗冰试验研究报告的试验结果，对相关规范的推荐方法进行对比分析，可为北方类似工程桩基冰荷载计算提供借鉴。 关键词：冰荷载抗冰模型试验桩基海冰 中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 前言 我国渤海和黄海北部的海域，在冬季经常发生冰情，在某些天气异常、气候特别严寒的冬季，渤海和黄海北部曾发生极其严重的冰封现象，因此必须对海冰荷载引起重视。 港口工程荷载规范 （JTJ 215-
2、98）中给出的计算公式，与模型试验结果往往存在较大误差,使工程技术人员在设计时很难把握。本文通过港口工程荷载规范规范中的计算公式和模型试验结果对比分析，推荐比较可靠地计算公式。 1.海冰主要类型 所有出现在海上的冰称为海冰，海冰不同于淡水冰，海冰是固体冰晶和卤水的混合物。由于盐分的存在，海冰冻结温度低于 0，对于标准海冰来说为-1.8.中国的海冰都是一年冰，即冰龄不超过一个冬季的冰。海冰通常分为固定冰和流冰两大类。 2.冰荷载对港口工程结构物的作用 （1）冰排运动中被结构物连续挤碎或滞留在结构前时产生的挤压力；（2）孤立流冰块产生的撞击力； （3）并排在斜面结构物和锥体上因弯曲破坏和碎冰块堆积
3、所产生的冰力； （4）与结构冻结在一起的冰因水位升降产生的竖向力； （5）冻结在结构内、外的冰因温度变化对结构产生的温度膨胀力。 海冰大面积冻结在结构上几率较小，海冰对桩基础由于水位升降产生的荷载以及对建筑物挤压产生的膨胀力较小，也可以忽略不计。因此，海冰对结构物作用荷载主要是由于大面积冰场运动而产生的静冰压力和流冰产生的撞击力。 3.抗冰模型试验要求 3.1 试验目的 通过物理模型试验确定最佳设计冰荷载，考察在大面积冰排作用下，码头单个排架桩群、单桩的冰力分析以及对冰的掩蔽效应。 3.2 试验的原型参数和要求 原型冰的物理和力学参数及试验水位条件如下： （1）50 年一遇工程海域最大设计平整
4、冰厚度为 39.64cm。 （2）单轴极限抗压强度：2298kPa。 （3）浮冰最大漂移速度：1.3m/s。 （4）自然水位条件（基准面：曹妃甸理论最低潮面）： 设计高水位2.88m； 设计低水位0.51m； 平均高潮位2.45m； 平均低潮位1.05m； 50 年一遇高潮位4.29m； 100 年一遇高潮位4.42m。 4.规范中冰荷载计算公式分析 4.1港口工程荷载规范 （JTS144-1-2010）中公式 冰排在直立柱、直立墩前连续挤碎时，产生的极限挤压冰力标准值宜按下式计算： F1=ImkBHc 式中： F1极限挤压冰力标准值（kN） ； I冰的局部挤压系数，与冰厚度和桩、墩迎冰面投影
5、宽度有关，经计算本次取 1.63； m桩或墩迎冰面形状系数，平面 1.0、圆形 0.9； k冰和桩、墩之间的接触条件系数，可取 0.32； B桩或墩迎冰面投影宽度（m） ； H单层平整冰计算冰厚（m） ；（略） c冰的单轴抗压强度标准值（kPa） 。 4.2海上固定平台人级与建造规范中公式 F1=ImkDHc（略） 4.3 苏联公式 F1=ImkDHc（略） 4.4afanasev 公式 F1=ImDHc（略） 4.5 美国 APIRPZN 公式 F1=IKDHc（略） 4.6 根据规范公式冰荷载计算结果 参考规范 1200mm 钢管桩冰力 F1（kN） 备注 港口工程荷载规范 （JTS144
6、-1-2010） 513 海上固定平台人级与建造规范中公式 1107 苏联公式 1175 afanasev 公式 1530 美国 APIRPZN 公式 4755 5.冰荷载计算结果和模型试验成果 5.1 抗冰模型试验成果 根据现场观测资料统计表明，冬季时水位偏低，发生在极端高水位冰力的几率很小，本工程在设计高水位及设计低水位时，冰荷载主要作用在钢管桩上。当水位较低时，各桩柱间的距离较大，掩蔽效果较差，冰排对结构物的总作用力较大，本文选用设计低水位的试验冰力作为主要依据。 迎冰面第一排桩对后排桩的掩蔽效应比较明显，第二排桩和第三排桩的冰力值明显减小，为了直观反映第一排桩对其后排桩的掩蔽效果，在以
7、上试验结果中，将第一排桩所受到的冰力视为 1，而定义其后各排与第一排桩冰力的比值为掩蔽系数。 6.综合分析 6.1 冰力统计结果 通过公式计算冰荷载和模型试验统计结果显示结果分为四个层次，港口工程荷载规范规范公式计算结果较小， 海上固定平台人级与建造规范公式和苏联规范计算结果居中，afanasev 公式和模型试验结果接近，美国 APIRPZN 公式计算冰力最大。 6.2 统计结果分析 冰荷载出处 结果情况 特点分析 港口工程荷载规范 （JTS144-1-2010） 偏小 此公式较详细地考虑了冰与水工结构物接触的实际状况，但没有考虑到冰温度对冰压力的影响。总体看来，此公式量纲协调，考虑因素较全面
8、。 海上固定平台人级与建造规范中公式 适中 此公式与港口工程荷载规范 （JTS144-1-2010）类似，但是参数采取的基本都是固定值，考虑变化因素少，不宜用于港口水工建筑物冰荷载计算。 苏联公式 适中 此公式与港口工程荷载规范 （JTS144-1-2010）类似，总体看来，此公式量纲协调，考虑因素较全面。 afanasev 公式 较大 总体看来，此公式量纲协调，考虑因素较全面。模型试验结果 较大 实际冰排挤压结构时，冰中相当多区域的变形是有侧限的，一定程度地存在着多向应力状态，局部挤压系数就是对这一影响因素的修正。试验状态接近实际状态，结果具备较高可靠度。 美国 APIRPZN 公式 很大
9、此公式考虑变化因素较少，难以适应环境和结构条件的变化，计算结果与实际冰力相差往往较大。 6.3 分析结论 通过以上分析，afanasev 公式计算结果和实测单桩试验冰荷载结果吻合的良好，说明试验系统良好，也说明理论计算公式较可靠。 且 afanasev 公式中量纲协调,并能客观地反映局部挤压、结构物形状、冰和结构物接触条件等因素的影响，故本文推荐采用 afanasev 公式应用于港口工程桩基计算。 7.结语 从海冰荷载计算和很多因素有关，应根据实际情况进行判断，选用合适的冰荷载计算公式。本文主要得出以下几点结论： 1）冰荷载应根据当地冰凌实际情况及港口工程的结构型式确定，对重要工程或难以计算确定的冰荷载应通过冰力物理模型试验确定。 2）我国港口工程冰荷载主要为海冰的挤压破坏模式产生的。 3）港口工程计算中应考虑结构物前后排桩基之间的掩蔽效应，根据本文的统计结果显示，第一排桩基之间间距不同，对后排桩基的掩蔽效应有所区别，本文统计为 0.20.34，以后的工程中还应做更详细的研究。4）冰荷载是对水工建筑物安全和投资的重要响因素之一, 因此其设计标准的选用极其重要，这里主要包括设计重现期的确定、平整冰厚度海冰单轴抗压强度等。 5）海冰与水工建筑物的相互作用机理还有许问题需要研究。本文推荐的冰荷载计算式满足一定的安全储备和保证率要求, 可供工设计人员参考。
