摘 要

沉入式水工圆筒结构施工简单，维修费用少，对较大的集中荷载以及码头地面超载和装卸工艺变化适应性较强，是我国引进的新型港口水工建筑，目前已经在很多港口和码头应用该结构。其有着良好的适用范围和发展前景，但是目前国内对大直径圆筒结构的研究较少，大圆筒结构在工作状态下的受载特性方面的实验分析很少，在设计方面的经验不多。本文将对大直径圆筒工作状态下的受载特性以及应力分布情况进行研究。

本文的主要研究内容：

进行不同工况下的大直径圆筒工作状态受力分析实验，分析不同埋深、荷载以及其他应力条件下大直径圆筒构件的受力情况和内力变化规律。根据实验真实土压力数据与常规理论计算土压力得出数据的比较，分析结构周围土压力的大小及其分布情况，提出了简单而且相对较为准确的土压力折减系数计算方法与公式。

对实验得出的圆筒内部的应力内力分布情况和受载状态的进行分析，得出了圆筒内部应力分布区域及应力状态，并给出不同区域对应的内力分布公式。

进行有限元数值建模，将实验与数值模拟的数据相对比验证数值方法的准确性，总结出沉入式大直径圆筒结构受载后的内力分布规律。

关键词：沉入式圆筒结构; 应力分布; 分布折减系数; 实验建模

ABSTRACT

The submerged hydraulic cylinder has simple construction and less maintenance cost. It has a strong adaptability to the large concentrated load, the overloading and loading and unloading process of the dock. It is a new type of port hydraulic construction introduced in China. At present, the structure has been applied in many ports and wharfs. It has a good scope of application and development prospects, but at present, there are few studies on the large diameter cylinder structure in China. There are few experimental analyses on the loading characteristics of large cylinder structure in the working state, and little experience in the design. The load characteristics and stress distribution of large diameter cylinder under working condition are studied in this paper.

The main contents of this paper are as follows:

Through the force analysis experiment on the working state of large diameter cylinder under different working conditions, the stress situation and internal force change law of large diameter cylinder members under different burial depth, load and other stress conditions are analyzed. According to the comparison of the actual earth pressure data and the conventional theory of soil pressure, the size and distribution of earth pressure around the structure are analyzed, and a simple and relatively accurate calculation method and formula of soil pressure reduction coefficient are put forward.

The distribution of stress inside the cylinder and the state of the load are analyzed. The stress distribution area and stress state inside the cylinder are obtained, and the corresponding formula of internal force distribution are put forward.

Through the finite element numerical modeling, the experimental and modeling data are compared to verify the accuracy of the numerical results, and the internal force distribution law of the submerged large diameter cylinder after loading is summed up.

Keywords: immersed cylinder structure; stress distribution; reduction factor; experimental modeling

目录

1.绪论 1

1.1大圆筒结构的研究背景和工程意义 1

1.1.1研究背景： 1

1.1.2工程意义： 1

1.2大圆筒码头的发展历史和研究现状 2

1.2.1发展历史 2

1.2.2研究现状 5

1.3本文所做的主要工作 6

2.大直径圆筒结构工作状态受力分析实验 7

2.1实验部分 7

2.1.1实验简介 7

2.1.2实验内容介绍 8

2.2 大直径圆筒结构筒前、筒后土压力和筒内土压力 10

2.2.1 土与筒壁间外摩擦角的确定 10

2.2.2 筒后土压力 11

2.2.3筒前土压力 16

2.2.4 筒内土压力 24

3.数值模型 28

3.1建模软件 28

3.2模型介绍 29

3.3建模过程简介及应力计算 29

3.4数据分析与对比 39

4.总结 49

1.绪论

1.1大直径薄壁圆筒结构的研究背景和工程意义

1.1.1研究背景

大直径圆筒结构于50年代初创于法国，后来原苏联、欧洲、日本、北美等国家广泛采用，我国在20世纪80年代重力式码头设计中成功引进了大直径钢筋混凝土薄壁圆筒结构技术。早期，我国的沿海港口数量极少，对应产生的海上交通运输量也相对较少，港口总的年吞吐量仅有1000多万吨，这方面是我国交通运输以及经济发展的一项缺漏。在近六十年来，党和国家一直加大力度发展水运工程方面的建设，而且我国对大型深水码头的需求日益增加。在近六十年来，依靠科技的进步，不断改进码头建设应用的结构型式，由最开始的小跨度的实心重型结构慢慢改进为大跨度空心轻型的预制安装结构，在自行发展阶段获得了许多突破性的成就和优良的改进方案。

1.1.2工程意义

重力式码头可以抵抗较大的上部荷载，并且坚硬牢靠，具有耐久性、抗冰性和抗冻性较好的特性。而且重力式码头的建设施工工程方便容易操作，花费较少，在国内被很多施工部门以及其他单位使用于建设当中，有着相当丰富的施工经验和参考资料。但是在某些地基土较软而且堆积深度高时，要对地基进行重新整理变换填土之后才能建造重力式码头，这样会消耗很多时间及经费，所以普通的重力式码头不适用这种情况。在后来我国引进了新的大直径薄壁圆筒结构技术，作为一种特殊的水工结构型式，其具有以下优点:受力条件好；构造简单施工方便；薄壁结构材料用量少；对地基适应性强；工程总体花费少和建设速度快之类的优点，而且能应对深度高以及波浪大等特殊状况。

综上所述，大直径圆筒结构技术非常适合应用于我国港口码头的建设当中，并且可以适应特殊的环境状况以及节省许多项目资金，大圆筒结构的适用范围广泛也使得其可以投入到很多方面的建设当中。我国也表明要深入对新型码头结构型式的研究和设计方面的创新及发展，交通部发布的中长期发展规划中也表明要大力发展港口码头建设，新兴大量的港口与码头，增加我国的水上交通运输能力。这种较新型的码头设计结构必然要得到更多的应用，所以大圆筒码头具有广阔的应用前景和发展空间。

1.2大圆筒码头的发展历史和研究现状

1.2.1发展历史

法国最先提出了大薄壁圆筒工程的设计，308m长的Pasay-Erman码头于19世纪40年代末在法国勒阿弗尔港建成，其中就采用了创新的大薄壁圆筒技术。图1.1为该港中设置的结构形式。然后，在1953年，法拉利达码头也建在这个港口，其中大薄壁圆筒技术设计出了直径达到11m的沉入式圆柱形建筑物。这项设计成功应用的实例使得其在法国得到了广泛的采用并投入到建设当中，之后法国的马赛港、敦刻尔克港、土伦港等码头也将其应用于港口建设项目当中。该设计在法国应用之后获得了巨大的收效，后来欧洲沿海各国、前苏联、日本等国家纷纷引进大直径圆筒设计。

图1.1 勒阿费尔其中的大圆筒设计工程图

1964年前苏联引进并应用大直径圆筒结构设计，其首先采用这项技术进行试验分析，通过建造Gadda-Uhde码头来试验这项技术，其中的圆筒设计为直径5.5m，高7.5m，薄壁厚度为12cm的大直径薄壁圆筒，具有较为典型的代表性。为了调查大直径圆筒结构的各类属性及性能情况，前苏联进行了许多相关的设计试验与调查研讨来得出结论。大圆筒结构设计在得到验证之后在前苏联发展应用起来，之后在New-Russia port、Astrakhan port 、Sebastopol port等地采用相关的结构型式进行施工。

在70年代初，西班牙采用了直径为18m高27m壁厚为1m的整体式钢筋混凝土圆筒结构在Catus建造了大型造船厂，这一技术的应用解决了当时基床土质软塌的问题，成功完成了项目的施工。1972年加拿大在Quebec的Saint Lawrence River上建造了大型油码头，采用的就是大直径薄壁圆筒技术来进行沉入结构的设计与制造。

英国的Blaydon以及日本Kobe和丹麦的Handsholm也筑造出大直径圆筒结构型式的水工结构建筑物，之后的许多国家也逐渐开始将这项技术应用于适应环境下的港口码头建设之中。

我国在1980年引进的大圆筒型式的技术设计，起初的工程项目在广东开展，沙角发电站内的引水坝和小溏轮渡的建设都应用了这项技术，建筑物的使用状况良好证明了结构的良好性能。之后我国沿海的广西、山东、广西、福建、天津以及海南各省都开始进行采用相关设计类型的港口码头建筑物的建设，并且都取得了较为良好的成效，这表明该结构型式在我国具有良好的发展前景和收益。

其中广西省防城港8号泊位码头总长度为二百零五米，码头主体是由十二个圆筒厚度为30cm、外部直径为十六米的钢筋砼圆筒构建，图1.2为其安装过程中的拍摄照。这项工程建设的总投资占别的类型的重力式码头工程项目总投资的82.4%，体现出了该结构型式的工程总体花费少的特点。而且8号泊位的工程中的大直径圆筒结构的设计与施工水准已经触及了国际领先的高度，可以为我国今后的该结构的设计与建设提供良好的经验理论基础和参考模板。

图1.2 广西防城港大圆筒安装图

20世纪90年代末广东省南沙联合码头，码头总长400m，由26对半径7.5m、筒壁28cm、叠加长度达25～26m的双拼圆筒组建。

2011年九月，钦州港3～8号泊位的建设工程顺利交工验收，由84件高18.1m、直径18m、个件重1600吨的大圆筒构成，共6个泊位，码头岸线长1535米。

图1.3 钦州港的大直径圆筒结构泊位

2017年五月，深中跨江通道的建设中采用大直径圆筒结构建筑作为基础，近40米高的钢制圆筒缓缓放入珠江中，作为深中通道西人工岛的“地基”扎根江中。

图1.4 跨江通道圆筒振沉到位

1.2.2研究现状

1. 国外的研究

大直径圆筒结构的首次应用是在勒阿费尔港，现场观测和实验室内的模型实验研究，通过分析可以得出很多结论，从而进一步得提升技术方面的各项水平。

在勒阿费尔港的工程开展期间中，法国实验室在一项模拟实验研究中得出结论：重新装填的土的摩擦系数受到应变的影响；对于厚度较小的圆筒外壳进行分析时，将圆形基础转换成相对小的方形基础对结果影响很小。

20世纪60年代，前苏联通过试验分析了筒体跟重新装填的土以及基底间的关系，得出了研究成果：基底部分与重新装填部分的土以及圆筒的厚度是影响滑移区的影响因素；建筑物保持原来状态不变的能力受到圆筒背部摩擦强度的影响；圆筒背面突出的区域中在重新填面上的那片区域需要进行应力综合处理。

Alipov进行了多次的试验并分析数据和推导之后发现孔格坝处理的理论：Yemelyanuf求解土在竖直方向的横向应力分布大小的方法是正确的；如果在筒身挤压前方土壤的情况下，摩擦强度想要增加到最大需要巨大的土压力作用等理论。

2. 国内的研究

20世纪80年代我国引入了大圆筒结构技术，天津港、天津大学、中国交通部第四航务工程局研究所通过实验研究，总结了该结构分析与钻研的许多结论。

陈福全和杨敏通过对广东省一处的中型大直径圆筒建筑物的调查与研讨，研究了土体工程性质、填土的工程性质、筒土的相对刚度等码头性状^[16]。

张震宇和姚文娟通过对大直径薄壳圆筒结构的考察和有限元方面的研究，总结出了大直径圆筒结构的荷载计算、稳定、变形、强度和有限元分析的研究和发展，指出了其存在的问题和结局问题的方法与思路^[13]。

范庆来、栾茂田、杨庆结合了长江流域整改项目的实际情况，对大量计算结构进行研究之后，对于大直径圆筒类型设计方案指明简单实用的上限极限处理法^[10]。

1.3本文所做的主要工作

大直径圆筒结构作为一个新型的结构型式的设计，有着良好的使用和发展趋势，但是目前对于大圆筒建筑受载荷后的工作状态和特性的研究还是较少，所以本文针对大圆筒结构在工作状态下的受力情况和应力分布状态进行研究。首先针对性选择合适有代表性的建筑模型，进行多次不同工况下的大直径圆筒结构工作状态受力分析实验，然后对实验数据进行统计，并计算出模型受力的理论值，与之对比找出并计算较为准确的理论方法与公式。最后使用有限元软件ANSYS，将总结出的理论公式代入计算模型应力分布公式，通过软件的运算得出模型的受力状态与应力分布情况，再与实验得出的结果进行对比，验证我们推导的理论公式的正确性，并分析总结大圆筒结构的受载特性。

2.大直径圆筒结构工作状态受载特性实验

2.1实验部分

2.1.1实验简介

本实验分为三项实验内容：1.空筒状态下受推力的受力分析实验；2.实筒状态下受推力的受力分析实验；3.实筒状态下筒后填满砂的受力分析实验。

实验模型：内径D₁=0.7m、外径D=0.8m、高H=2.0m、壁厚C=5cm的无底圆筒，三个圆筒并列放置，在其中间的圆筒上进行数据测量，实验采用天然重度γ=15kN/m3相对密实度D_r=0.57内摩擦角φ=32°的海滨细砂作为地基土，筒内填料采用海滨细砂、均匀碎石（重度γ=14.6kN/m3，内摩擦角φ=39.3°，粒径d≈2cm，孔隙率n=0.45）、级配碎石（重度γ=15.8kN/m3，内摩擦角φ=41.2°，粒径D=1～3cm，孔隙率n=0.40）这三种材料。

为了测量筒前、筒内、筒后和筒底的土压力，共在模型上设置14个测量断面，其布置型式及结构图如下所示：

图2.1圆筒各测量断面位置和筒底压力盒安插

图2.2圆筒各测量断面土压力盒安插

其中1、～7、断面为测量筒内土压力的测量断面，设置在筒内；测量筒前土压力的断面为1、2、3断面，设置在筒前；测量筒后土压力的的为5、6、7断面，设置在筒后：筒底土压力由8断面测量，设置在筒底。各个断面之间的间隔为30°。然后由于实验的设计，1、2、3断面需要进行测量的受力区较小于1、～7、和5、6、7断面，所以1、2、3断面每个断面只需布置10个土压力盒，5、6、7断面和1、～7、断面每个断面布置15个土压力盒，8断面测量筒底，各个压力盒间隔30°所以筒底8断面布置12个土压力盒。

实验的测量仪器为日本的UCAM巡回数字检测仪。

2.1.2实验内容介绍

1）空筒状态下受推力的受力分析实验：将大直径空的圆筒按照不同的埋深埋入地基当中，埋深h分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m，然后在筒外距离筒底1.0m处连续施加水平荷载，直到圆筒破坏为止，每种埋深状态分别实验3～4次。为了保证圆筒不发生偏位，施加水平荷载的两个推杆与直径D=0.8m的半圆形刃环相连，刃环可以卡住圆筒。同时为了保证实验的准确性，在放置圆筒前需要整平地基来保证基底压力均匀分布之后再进行实验；

2）实筒状态下受推力的受力分析实验：将圆筒也按照不同的埋深埋入地基当中，筒内填满填料（海滨细砂、均匀碎石、级配碎石），同时填料不同采用的不同埋深也不同，如果填料为海滨细砂，则埋深分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2m，如果填料为均匀碎石和级配碎石时，圆筒埋深分为0.8和1.0m，其余的情况和实验1相同，然后进行数据测量实验；

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