有隔墙的圆沉箱贮仓压力数值模拟计算

李予忱，胡珅榕

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

沉箱结构是重力式结构的一种，结构具有整体性好、耐久性强、抗震性能好、地基应力较小、水上安装速度快等优点。圆沉箱平面形状为圆形，在浮运和沉放过程中承受向心的水压力，外壁内只产生压应力，无弯曲应力，在受力方面具有明显的优势，用钢量少，造价较方沉箱更低；另一方面，圆沉箱迎浪面为曲面，对水流阻力小，泊稳条件好，在国内外得到了广泛应用。

目前国内圆沉箱设计主要依据《码头结构设计规范》（JTS 167-2018），其中贮仓压力的计算分两种情况，矩形仓和圆筒仓，圆筒仓公式适用于筒高与圆筒直径之比接近1，且截面无隔墙的圆筒。然而随着国内港口大型化、深水化发展，工程实际采用的圆沉箱结构以十字隔墙和井字隔墙沉箱居多，现行规范无对应计算公式。当贮仓压力取值偏大时，沉箱外壁跨中、内侧支座配筋偏大，造成浪费，而沉箱内壁跨中、外侧支座配筋偏小，造成安全隐患；当贮仓压力取值偏小时，沉箱内侧跨中、外侧支座配筋偏大，造成浪费，而沉箱外侧跨中、内侧支座配筋偏小，造成安全隐患。本研究旨在研究带隔板圆沉箱的贮仓压力计算方法，为今后相关设计提供参考。

1 有限元模型材料性能的率定

研究依托烟台港西港区原油码头二期工程的系缆墩圆沉箱，工程位于烟台港西港区原油作业区。系缆墩共5 座，顶面高程8.0 m。系缆墩圆沉箱直径16.0 m，外趾宽1.5 m，顶高程4.0 m，底高程-24.0 m，隔墙呈“井”字布置，单座沉箱预制重量约为3 344 t，详见图1。

图1 沉箱平面

为对有限元模型基本参数进行率定，首先建立符合规范适用条件的方形仓，建模尺寸4.9 m×4.766 m×27.1 m，仓格侧壁厚度为0.4 m。模型设置侧壁和填料两个部件，方形仓格的计算模型见图2。

图2 方形仓格的计算模型

混凝土侧壁强度等级为C35，采用线弹性模型模拟；本工程仓内填料为块石，但根据工程所在地附近填料富集度和运输成本所限，工程设计中也常采用中砂，因此填料部件拟合了块石和中砂两种，选用适用在单调荷载下成颗粒结构的Mohr-Coulomb 塑形模型拟合填料。

为使模型分析时更容易收敛，设置初始步长为10-5s，最小步长为10-8s，选择非对称计算矩阵，填料与仓格侧壁之间的接触为“面-面接触”，定义摩擦系数f=tanψ，其中ψ 为填料的外摩擦角。在沉箱侧壁底部施加固定约束，限制填料竖向位移。沉箱侧壁和填料均选用三维实体C3D8R 单元（节点的六面体线性减缩积分单元），采用分析精度较高的结构化技术划分网格，网格划分时接触面节点一致。

填料弹性模量需经率定，块石填料弹性模量选择150 MPa、30 MPa、3 MPa、0.3 MPa 对比，块石填料不同弹性模量时贮仓压力随深度变化曲线见图3。

图3 块石填料不同弹性模量时贮仓压力随深度变化曲线

由图3 可知，填料弹性模量越大对侧壁的贮仓压力越小，弹性模量小于3 MPa 后，侧向贮仓压力趋于稳定且与规范公式计算值接近，沉箱顶部模型计算值略小于规范公式计算结果，沉箱中部模型计算值略大于规范公式计算结果，沉箱底部模型计算值明显大于规范公式计算结果。

基于块石填料率定解果，中砂填料弹性模量选择3 MPa、0.3 MPa 对比，中砂填料不同弹性模量时贮仓压力随深度变化曲线见图4。

图4 中砂填料不同弹性模量时贮仓压力随深度变化曲线

由图4 可知，沉箱中上部中砂填料不同弹性模量时贮仓压力普遍小于规范公式计算结果，沉箱底部模型计算值明显大于规范公式计算结果。

结合两种填料率定结果，弹性模量选择 0.3 MPa。沉箱模型各部件的材料性能参数，见表1。

表1 沉箱模型各部件材料性能参数

2 弧形仓有限元模型

井字格沉箱只有中间仓格是常规的方形，其中四个仓格外壁是弧形，弧形仓格平面见图5，弧形仓格的计算模型见图6。

图5 弧形仓格平面

图6 弧形仓格的计算模型

工程设计中通常将弧形仓格简化为与之面积相等的方形仓格计算，因此本文分别建立弧形仓格有限元模型和等面积的方形仓格的有限元模型，除模型平面形状外其他参数均一致。弧形仓格与等面积方形仓格块石填料贮仓压力随深度变化曲线见图7，弧形仓格与等面积方形仓格中砂填料贮仓压力随深度变化曲线见图8。

由图7、图8 可知，弧形仓格有限元模型计算结果和等面积的方形仓格的有限元模型计算结果基本一致，弧形仓格贮仓压力略大于等面积的方形仓格的贮仓压力，这一规律与填料性质无关。

块石填料沉箱顶部模型计算值略小于规范公式计算结果，沉箱中部模型计算值略大于规范公式计算结果，沉箱底部模型计算值明显大于规范公式计算结果。中砂填料沉箱中上部贮仓压力普遍小于规范公式计算结果，沉箱底部模型计算值明显大于规范公式计算结果。这一规律与仓格平面形状无关。

图7 弧形仓格与等面积方形仓格块石填料贮仓压力随深度变化曲线

图8 弧形仓格与等面积方形仓格砂填料贮仓压力随深度变化曲线

综上，弧形仓格可采用规范公式直接计算，中砂填料时沉箱中上部应乘以0.91 的修正系数，沉箱底部应乘以1.25 的扩大系数。块石填料时，沉箱中上部应乘以1.15 的扩大系数，沉箱底部应乘以1.21的扩大系数。

3 扇形仓有限元模型

井字格沉箱除方形仓格和弧形仓格外，与规范适用条件相差最大的是扇形仓格，扇形仓格平面见图9，扇形仓格的计算模型见图10。

工程设计中计算扇形仓格贮仓压力时通常结合与之面积相等的方形仓格和外接方形仓格，取包络值，计算从内向外的内力值时取贮仓压力极大值，计算从外向内的内力值时与波浪力进行工况组合，取贮仓压力极小值。本研究分别建立扇形仓格有限元模型、等面积的方形仓格和外接方形仓格的有限元模型，除模型平面形状外其他参数均一致。块石填料贮仓压力随深度变化曲线见图11，中砂填料贮仓压力随深度变化曲线见图12。

由图11 可知，块石填料扇形仓格沉箱顶部贮仓压力大于规范计算值，外接方形和等面积方形模型沉箱顶部结果基本一致，且小于规范计算值。沉箱中下部扇形仓格与规范计算值基本一致，等面积方形计算结果略大，外接方形贮仓压力计算结果明显大于以上结果。

由图12 可知，块石填料沉箱顶部扇形仓格、等面积方形仓格贮仓压力基本一致且略小于规范公式计算值。沉箱中下部扇形仓格、等面积方形仓格贮仓压力与规范公式计算结果基本一致，等面积方形仓格计算结果略大，外接方形贮仓压力计算结果明显大于以上结果。

图9 扇形仓格平面

图10 扇形仓格的计算模型

图11 扇形与方形仓格块石填料贮仓压力随深度变化曲线

图12 扇形与方形仓格中砂填料贮仓压力随深度变化曲线

综上，扇形仓格可采用规范公式直接计算，中砂填料时沉箱中上部应乘以0.88 的修正系数，沉箱底部应乘以1.2 的扩大系数。块石填料时，沉箱中上部应乘以1.15 的扩大系数，沉箱底部应乘以1.21的扩大系数。

4 结 语

圆沉箱弧形仓格和扇形仓格不同填料的贮仓压力均可以参考《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）附录S 矩形仓公式计算，通过有限元模型计算所得的沉箱中上部水平贮仓压力比规范公式计算值偏小，仓格底部模拟值大于规范公式计算值。工程设计中应将规范公式计算结果适当修正后采用。