带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤及其设计方法

摘要

本发明公开了一种带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤及其设计方法，包括下部的桩基础及上部的挡浪结构，通过桩基础上的横梁支撑所述挡浪结构，所述挡浪结构包括圆弧板、腹板、底板和肋板，所述圆弧板、顶部连接圆弧板的两个腹板、连接腹板底部的底板构成Π型截面预制件，所述肋板固定腹板及底板。本发明不但具有良好的防波效果，能够有效减小堤后方的透射波高，维持港内泊稳条件，而且受力特性较好，结构不易被波浪破坏；此外，该防波堤采用桩基透空式结构，允许港内外水体交换，对环境友好。

主权项

一种带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤的设计方法，其特征在于：防波提包括下部的桩基础及上部的挡浪结构，通过桩基础上的横梁支撑所述挡浪结构，所述挡浪结构包括圆弧板、腹板、底板和肋板，所述圆弧板、顶部连接圆弧板的两个腹板、连接腹板底部的底板构成Π型截面预制件，所述肋板固定腹板及底板；设计方法包括以下步骤：首先确定防波堤的基桩入土深度、桩径大小、横梁尺寸、圆弧板曲率半径，然后通过以下方法对应地计算出防波堤上部结构的波压力强度：当堤顶高程高于计算水位0.7倍设计波高时，波峰作用于圆弧板上的波压力强度按照下列方法确定：(1)首先将圆弧板等效成相同高度的直立墙，按合田公式计算出直立墙上的波压力，其中计算水位以上的高度η、计算水位处的波压力强度p_s以及直立墙底面处的波压力p_b按下列公式计算：η＝1.5H    (1)p_s＝α_sγH    (2)p_b＝α_bp_s    (3)${\alpha }_s=0.6+\frac{1}{2}{\left[\frac{\frac{4{\mathrm{\pi \Delta h}}_1}{L}}{\sinh \left(\frac{4{\mathrm{\pi \Delta h}}_1}{L}\right)}\right]}^2---\left(4\right)$${\alpha }_b=\frac{1}{\cosh \left(\frac{2{\mathrm{\pi \Delta h}}_1}{L}\right)}---\left(5\right)$式中：H是设计波高，单位为m；γ是水的容重，通常取9.8kN/m³；α_s、α_b是计算系数；Δh₁是计算水位与圆弧板最下缘高程差，单位为m；L是设计波长，单位为m；p_s和p_b的单位为kPa；(2)波峰作用于圆弧板上的波压力强度，按下列公式进行相位修正：η′＝η    (6)p′_s＝p_s    (7)p′_b＝λ_pp_b    (8)${\lambda }_p={\cos }^4\left(\frac{2\pi \Delta l}{L}\right)---\left(9\right)$式中：η′是圆弧板上的波压力图形零点在计算水位以上的高度，单位为m；p′_s是圆弧板上计算水位处的波压力强度，单位为kPa；p′_b是圆弧板最下缘处的波压力强度，单位为kPa；λ_p是堤顶出水时的相位修正系数；Δl是圆弧板上的p′_s与p′_b作用点间的水平距离，单位为m；(3)波峰作用于圆弧板上各点的波压力强度，其方向应垂直于圆弧板面，按下列公式进行角度修正：p(θ)＝p(Z)′cosθ    (10)式中：p(θ)是圆弧板上的波压力强度，单位为kPa；p(Z)′是经相位修正后Z点的波压力强度，单位为kPa，Z点为自圆弧板最下缘起算的垂直高度，由p′_s和p′_b经内插求得；θ是波压作用点的圆心角，单位为度；当堤顶高程位于或低于计算水位，且圆弧板的外半径与波长之比不大于0.085时，波峰作用于圆弧板上的波压力强度按照下列方法确定：(1)首先将圆弧板等效成相同高度的直立墙，按式(1)～式(5)计算直立墙上的波压力强度，再进行相位修正和角度修正，相位修正方法如下：η′＝η    (11)p′_s＝p_s    (12)p′_b＝λ′_pp_b    (13)${\lambda }_p^{\prime }={\cos }^4\left(\frac{2\pi {\left(\Delta l\right)}^{\prime }}{L}\right)---\left(14\right)$式中：λ′_p是堤顶淹没时的相位修正系数；(Δl)′是圆弧板上的p′_b作用点与堤顶间的水平距离，单位为m；(2)波峰作用于圆弧板上各点的波压力强度，其方向垂直于圆弧板面，按式(10)进行角度修正；当Π型构件底板高程低于计算水位时，底板上常受到波浪上托力作用，透空式水平底板下最大总上托力与最大冲击压强通常不同步发生，它们所对应的压强分布形式也常常不一致，一种为均匀型分布，主要对应于平板的最大总上托力；另一种为局部冲击型分布，主要对应于局部最大冲击压强，均匀分布压强按照下列公式计算：$\frac{P}{\gamma HB}=1.4{(1-\frac{{\mathrm{\Delta h}}_2}{{\eta }_0})}^{0.8}\exp [-{(\frac{{\mathrm{\Delta h}}_2}{{\eta }_0}-0.7)}^2]---\left(15\right)$${\eta }_0=\frac{H}{2}+\frac{{\mathrm{\pi H}}^2}{2L}\left[\frac{\cosh \frac{2\pi h}{L}(\cosh \frac{4\pi h}{L}+2)}{4(\sinh {\left(\frac{2\pi h}{L}\right)}^3}\right]---\left(16\right)$$x=\frac{L}{\pi }\arccos \frac{{\mathrm{\Delta h}}_2}{{\eta }_0}---\left(17\right)$$\bar{p}=2P/x---\left(18\right)$式中：P为Π型构件底板受到的最大总上托力，单位为kN/m；B是底板总宽，单位为m；Δh₂是底板底部距计算水位的距离，单位为m；η₀是波面最大上升高度，单位为m；h是堤前水深，单位为m；x是波浪在底板上的作用宽度，单位为m；如果x＞B，则取x＝B；为均匀分布压强，单位为kPa；局部最大冲击压强p_i按照下列公式计算：$\frac{p_i}{\gamma H}=4{(1-\frac{\Delta h}{{\eta }_0})}^{0.6}\exp [-1.4{(\frac{\Delta h}{{\eta }_0}-0.55)}^2]---\left(19\right)$式中：p_i为局部最大冲击压强，单位为kPa；Δh为底板底部距静水面的距离，单位为m；按上述方法计算得到防波堤上部结构的波压力强度后，再根据《水运工程混凝土结构设计规范》进行板、梁构件的配筋计算即可。