CN114197401B - 一种用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置 - Google Patents

一种用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，包括环式护板和支撑部件，所述环式护板上设有多个均匀分布的通孔，所述通孔在所述环式护板上的通孔率为35％‑55％；所述环式护板垂直固结于高桩承台的外表面，所述环式护板的顶面与设计水位平齐，所述环式护板的厚度为设计波高的1/8‑1/5，所述环式护板的长度为设计波长的1/20‑1/10；所述支撑部件的一端与所述环式护板的下表面相连，所述支撑部件的另一端与所述高桩承台相连。本发明能够利用开孔的环式护板和支撑部件，从抑制表面波爬高、改变波浪形态、增加波能耗散等三方面机理入手，显著改善高桩承台的侧向波浪荷载，并为跨海桥梁高桩承台基础提供一定的防船撞能力，为跨海交通工程提供技术支撑。

Description

一种用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置
技术领域
本发明涉及跨海桥梁工程技术领域，特别涉及一种用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置。
背景技术
跨海桥梁是跨海交通基础工程的关键节点与咽喉要道，我国海岸线长达3.2万公里，跨海交通工程建设潜力巨大，尤其在东南沿海经济带，跨海桥梁需求广泛。相比内陆桥梁，跨海桥梁建设环境更为恶劣，其中最突出的问题之一即是波浪侵袭。已建工程表明，受波浪影响，海洋环境下桥梁基础水动力荷载是内河环境的10倍以上。例如在建的平潭海峡公铁两用跨海大桥，全年浪高1.5米以上天数达180天，设计波高达9.69米，波浪力成为结构主要控制荷载之一。高桩承台适用性好、造价低、施工方便等特点，广泛应用于我国跨海桥梁工程。高桩承台在水面处设有体积巨大的承台，其重量大，侧向刚度小，在波浪冲击作用下承受较大的侧向波浪荷载，对高桩承台基础的设计、施工与防灾带来了不可忽视的威胁，因此有必要设置消波防护结构以减小高桩承台上的侧向波浪荷载。
现有的消波减荷装置大多面向桥墩，但高桩承台与桥墩结构有显著差异，将其应用在跨海桥梁高桩承台基础上不能完全解决消波减荷的问题，主要体现在：(1)跨海桥梁基础所处环境复杂，对基础外形的优化会显著增加基础施工的困难程度，难以实施；(2)现有的消能腔设施技术增大了结构整体的迎波面积，虽在一定程度上减小了结构所受的波浪力，但设施本身承担的波浪荷载仍较大，防浪效果还需进一步研究；(3)承台尺寸较大，所需要的设施尺寸则更大，安全性难以保证。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置。
本发明的技术方案如下：
一种用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，包括环式护板和支撑部件，所述环式护板上设有多个均匀分布的通孔，所述通孔在所述环式护板上的通孔率为35％-55％；所述环式护板垂直固结于高桩承台的外表面，所述环式护板的顶面与设计水位平齐，所述环式护板的厚度为设计波高的1/8-1/5，所述环式护板的长度为设计波长的1/20-1/10；所述支撑部件的一端与所述环式护板的下表面相连，所述支撑部件的另一端与所述高桩承台相连。
作为优选，所述环式护板为圆环型。
作为优选，所述环式护板由内圈层与外圈层组成，所述支撑部件的一端与所述内圈层的下表面相连，所述支撑部件的另一端与所述高桩承台相连，多个所述通孔均匀分布在所述外圈层上。
作为优选，多个所述通孔在同一径向上均匀分布，在同一轴线上等间距分布。
作为优选，所述支撑部件包括依次首尾相连的垂直面、水平面、弧形过渡面，所述垂直面套设在所述高桩承台的外表面并与与所述高桩承台固定相连，所述水平面与所述内圈层的下表面固定相连。
作为优选，所述弧形过渡面为内凹面。
作为优选，所述弧形过渡面为圆弧面，所述圆弧面的半径通过下式进行计算：
Figure BDA0003424017900000021
式中：R为圆弧面的半径，l2为水平面的长度；h2为垂直面的高度。
作为优选，所述水平面的长度为环式护板长度的1/4-1/3，所述垂直面的高度为环式护板厚度的2倍。
作为优选，所述通孔为圆形通孔。
本发明的有益效果是：
本发明能够利用开孔的环式护板和支撑部件，从抑制表面波爬高、改变波浪形态、增加波能耗散等三方面机理入手，显著改善高桩承台的侧向波浪荷载，并为跨海桥梁高桩承台基础提供一定的防船撞能力，为跨海交通工程提供技术支撑；且本发明结构简单，可预制拼装，具有自重轻，施工方便，经济性好等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置的立体结构示意图；
图2为本发明用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置的俯视结构示意图；
图3为安装本发明消浪减荷防护装置的承台的正视结构示意图；
图4为安装本发明消浪减荷防护装置的高桩承台基础的正视结构示意图；
图5为安装本发明消浪减荷防护装置的高桩承台基础的侧向波浪荷载对比结果示意图。
图中标号：1-环式护板、2-支撑部件、3-高桩承台、4-通孔、5-群桩基础、6-桥墩。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
如图1-4所示，本发明提供一种用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，包括环式护板1和支撑部件2，所述环式护板1上设有多个均匀分布的通孔4，所述通孔4在所述环式护板1上的通孔率为35％-55％；所述环式护板1垂直固结于高桩承台3的外表面，所述环式护板1的顶面与设计水位平齐，所述环式护板1的厚度为设计波高的1/8-1/5，所述环式护板1的长度为设计波长的1/20-1/10；所述支撑部件2的一端与所述环式护板1的下表面相连，所述支撑部件2的另一端与所述高桩承台3相连。
在一个具体的实施例中，所述环式护板1为圆环型，所述环式护板1由内圈层与外圈层组成，所述支撑部件2的一端与所述内圈层的下表面相连，所述支撑部件2的另一端与所述高桩承台3相连，多个所述通孔4均匀分布在所述外圈层上，多个所述通孔4在同一径向上均匀分布，在同一轴线上等间距分布。
需要说明的是，圆环型的环式护板1能够均匀受力，避免有棱角类的环式护板1在棱角处受力与其他部位受力不同，影响环式护板1的使用寿命。但最外层为多边形等其他形状的环式护板1也能起到抑制表面波爬高、改变波浪形态、增加波能耗散等作用。
在一个具体的实施例中，所述支撑部件2包括依次首尾相连的垂直面、水平面、弧形过渡面，所述垂直面套设在所述高桩承台3的外表面并与与所述高桩承台3固定相连，所述水平面与所述内圈层的下表面固定相连；所述垂直面的高度为环式护板1厚度的2倍，所述水平面的长度为环式护板1长度的1/4-1/3，所述弧形过渡面为内凹的圆弧面，所述圆弧面的半径通过下式进行计算：
Figure BDA0003424017900000031
式中：R为圆弧面的半径，l2为水平面的长度；h2为垂直面的高度。
需要说明的是，除了上述实施例的支撑部件2外，本发明也可采用其他支撑部件2进行支撑，所述支撑部件2所起的主要作用是能够减小环式护板1与高桩承台3连接处的应力集中效应，增加环式护板1的强度和稳定性，保证结构的安全，现有技术中其他能够起到该作用的结构均可适用于本发明。
另外，需要说明的是，在上述实施例中，本发明所述环式护板1的内表面和所述支撑部件2内表面(即所述垂直面)的轮廓形状应与高桩承台3外围轮廓形状应保持一致，即若高桩承台3为圆形，则环式护板1的内表面和支撑部件2内表面也为圆形；若高桩承台3为椭圆形，则环式护板1的内表面和支撑部件2内表面也为椭圆形。
在一个具体的实施例中，所述通孔4为圆形通孔。需要说明的是，除了圆形通孔外，多边形等其他形状的通孔也可适用于本发明。所述通孔4一方面是为了能够耗散波浪能量，削减纵向波浪向上的浮托力，另一方面是为了能够减少用材，节省造价。
在一个具体的实施例中，采用本发明所述消浪减荷防护装置应用在高桩承台基础上时，所述环式护板1和所述支撑部件2可采用整体或者模块结构，在施工时可与高桩承台基础结构整体预制或浇筑成型，材质可选为钢材或者混凝土等，施工方便，可行性高。
本发明所述消浪减荷防护装置的承台消波减载原理与现有桥墩消波原理有显著差异：
高桩承台3的波浪荷载主要由于自由水面附近水体的震荡与表面波爬高造成，当波浪传播至高桩承台3附近时，所述环式护板1能够有效抑制结构前方表面波的爬高，改变高桩承台3附近的波浪结构，破浪剖面受迫向下运动，从而显著改善作用在高桩承台3上的侧向波浪力。同时，环式护板1上的通孔4能够有效增加波浪耗散，缓冲护板的浮托力，增强结构本身的安全性。此外，当船舶撞击承台时，环式护板1和支撑部件2构成的组合结构对高桩承台3具有一定的保护作用。
在一个具体的实施例中，基于边界元方法和势流理论，采用附图所示的消浪减荷防护装置对高桩承台基础的消浪减荷防护能力进行数值模拟。在本实施例中，高桩承台基础是否加装本发明所述消浪减荷防护装置的侧向波浪荷载对比结果如图5所示。从图5可以看出，本发明所述消浪减荷防护装置可大幅减小高桩承台基础的侧向波浪力，与同等条件下无防护结构的高桩承台基础相比，在近岸波浪条件下(0.1～0.25Hz)，最大可减小48％的侧向波浪力，消波减荷效果显著。综上所述，本发明与现有技术相比，具有显著的进步。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，其特征在于，包括环式护板和支撑部件，所述环式护板上设有多个均匀分布的通孔，所述通孔在所述环式护板上的通孔率为35％-55％；所述环式护板垂直固结于高桩承台的外表面，所述环式护板的顶面与设计水位平齐，所述环式护板的厚度为设计波高的1/8-1/5，所述环式护板的长度为设计波长的1/20-1/10；所述支撑部件的一端与所述环式护板的下表面相连，所述支撑部件的另一端与所述高桩承台相连。
2.根据权利要求1所述的用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，其特征在于，所述环式护板为圆环型。
3.根据权利要求2所述的用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，其特征在于，所述环式护板由内圈层与外圈层组成，所述支撑部件的一端与所述内圈层的下表面相连，所述支撑部件的另一端与所述高桩承台相连，多个所述通孔均匀分布在所述外圈层上。
4.根据权利要求3所述的用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，其特征在于，多个所述通孔在同一径向上均匀分布，在同一轴线上等间距分布。
5.根据权利要求3所述的用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，其特征在于，所述支撑部件包括依次首尾相连的垂直面、水平面、弧形过渡面，所述垂直面套设在所述高桩承台的外表面并与与所述高桩承台固定相连，所述水平面与所述内圈层的下表面固定相连。
6.根据权利要求5所述的用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，其特征在于，所述弧形过渡面为内凹面。
7.根据权利要求6所述的用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，其特征在于，所述弧形过渡面为圆弧面，所述圆弧面的半径通过下式进行计算：
Figure FDA0003424017890000011
式中：R为圆弧面的半径，l2为水平面的长度；h2为垂直面的高度。
8.根据权利要求7所述的用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，其特征在于，所述水平面的长度为环式护板长度的1/4-1/3，所述垂直面的高度为环式护板厚度的2倍。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的用于跨海桥梁高桩承台基础的消浪减荷防护装置，其特征在于，所述通孔为圆形通孔。
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