非粘結(jié)鋼腱斷面結(jié)構(gòu)設計

越浪海堤的斷面設計除了解決越浪量和堤頂高程的問題，還包括堤身、堤坡護面結(jié)構(gòu)、堤頂結(jié)構(gòu)及堤基處理等方面的問題。

非粘結(jié)鋼腱堤身設計

充砂袋適用于地基承載力較低的中、高灘部位，具有滲透性好，易于排水固結(jié)等優(yōu)點，目前已廣泛應用于各種圍埝和護岸結(jié)構(gòu)中，近年在天津地區(qū)得到普遍應用。為適應軟基上筑堤的特點，本工程堤身采用水力充填砂袋填筑。設計每層砂袋高0.5m，層間布置袋裝碎石平整坡面。為保護沖砂管袋以及減少袋內(nèi)充填物跑漏，在現(xiàn)狀半圓體結(jié)構(gòu)背海側(cè)設置拋石棱體，棱體后設置混合倒濾層，并在充填管袋與其接觸結(jié)構(gòu)適當加大墊層保護措施。[1]

非粘結(jié)鋼腱臨海側(cè)設計

臨海側(cè)直接經(jīng)受波浪作用，護面結(jié)構(gòu)主要從穩(wěn)定性、抗沖刷能力、消浪效果等角度綜合考慮。該部分結(jié)構(gòu)上部應能夠承受波浪的打擊、上吸；下部應能承受波浪的反復掏刷。因此要求護面結(jié)構(gòu)強度要高，穩(wěn)定性要滿足要求，護面底要做好反濾。同時護腳要有足夠的支承力，要能防止底腳被淘刷，或發(fā)生淘刷時，仍有足夠的能力支承護面結(jié)構(gòu)。

目前海堤常用的護面塊體有柵欄板、四腳空心方塊、四腳錐體、扭王字塊、扭工字塊等。柵欄板和四腳空心方塊常用于常潮位以上的護面，但四腳空心方塊不宜用于設計波高大于4m時，本工程所在位置堤前水深大，波浪較強，設計波高超過4m，故而消浪平臺及其上部斜坡段采用柵欄板護面，下設干砌塊石墊層和碎石墊層及土工布一層。消浪平臺與半圓體結(jié)構(gòu)水平銜接，為滿足半圓體穩(wěn)定和防沖要求，臨海側(cè)半圓體前增設拋石棱體護腳。[1]

非粘結(jié)鋼腱背海側(cè)設計

越過防浪墻的波浪將直接與堤頂或后坡碰撞，流速衰減迅速，故背海側(cè)堤坡的防護原則上以能承受垂直于坡面的沖擊力為主，無波浪的回流水流的拖拽力，因此護面設置主要考慮透水、消能并保證良好的反濾墊層。背海側(cè)堤肩采用混凝土結(jié)構(gòu)以防越浪沖擊?？紤]岸坡穩(wěn)定和上部結(jié)構(gòu)施工要求，本工程背海側(cè)堤坡設計采用兩級平臺，上級平臺高程與臨海側(cè)消浪平臺齊平，其上部護坡采用柵欄板，下設干砌塊石墊層和碎石墊層及土工布一層；上下兩級平臺之間的護坡以及上級平臺采用灌砌石護面，下級平臺采用干砌塊石護面；護坡下堤腳處設拋石棱體護腳。

目前，海堤的設計主要分為不允許越浪和允許部分越浪兩大類。天津沿海地區(qū)軟基分布較廣泛，在軟基上新建海堤排水固結(jié)周期長，沉降量大，故海堤的填筑速度和建設高度受到限制。按不允許越浪設計，對堤頂高程和斷面尺寸的要求較高，可能造成軟土地基的承載力不足，不僅會極大的增加軟土地基的處理費用，加大工程投資，還會增加施工難度，延長建設周期，很不經(jīng)濟合理。按允許部分越浪設計在控制越浪浪滿足要求的前提下，可以有效降低堤身高度，優(yōu)勢比較明顯。

海堤位于軟土地基上，堤頂高程過高會增加潰堤的風險?？紤]本次設計堤頂及堤坡均有防護，同時背海側(cè)結(jié)合整體規(guī)劃要求可以修建景觀河道以容納越浪水量，因此本次海堤工程按照允許部分越浪進行設計。根據(jù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定及公式，按照帶平臺的復合式斜坡堤，采取按允許部分越浪的波浪要素進行計算，設計堤頂高程取值8.50m。

規(guī)范中海堤允許越浪量的計算方法是建立在簡單單坡和陡墻模型試驗的基礎上，計算方法和計算公式比較單一且精度有限，難于適應復雜斷面結(jié)構(gòu)型式海堤的越浪量計算。海堤結(jié)構(gòu)斷面和波浪作用條件較復雜，波浪爬高和越浪量計算與現(xiàn)有經(jīng)驗公式的適用條件不完全一致，為了驗證海堤越浪量、確定堤頂高程和對海堤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，本次設計海堤斷面結(jié)構(gòu)進行了物理模型試驗。參照試驗結(jié)論，從安全和經(jīng)濟的角度考慮，最終確定本次海堤設計堤頂高程為9.0m。

根據(jù)斷面外形特點，海堤結(jié)構(gòu)型式大體上分為三種基本形式，即斜坡式、陡墻式和混合式?；旌鲜胶５绦褪綌嗝娼M合得當，可兼有前兩者的優(yōu)點，適用于地質(zhì)條件較差、水深大、受風浪影響較大的堤段。

地質(zhì)為軟土特性、風浪及水深較大，兼顧考慮已建半圓體防波堤情況，采用混合式斷面形式是比較合適的。設計采用帶平臺的復式斷面，消浪平臺的設置可減少波浪飛濺，平臺上的紊動波流能消耗大部分波浪能量，有效地減少波浪爬高，同時也有利于提高堤身斷面的穩(wěn)定性。根據(jù)南港工業(yè)區(qū)東邊界現(xiàn)已建成的半圓體結(jié)構(gòu)防波堤位置，從消浪效果、工程投資及占地等角度考慮，東邊界永久達標防潮海堤設計與半圓體防波堤整體結(jié)合布置，半圓體與設計消浪平臺相銜接。該方案堤頂高程較低，投資最小，地基處理難度低，占用可利用土地少，施工條件相對較好。

防止海水在潮汐的作用下入侵，影響人們的聲明財產(chǎn)安全。

考慮越浪的強度要求，堤頂護面的強度要求同臨海面。堤頂一般兼作防汛公路，故護面一般采用混凝土結(jié)構(gòu)。堤頂設置防浪墻，既可節(jié)省海堤堤身工程量，減輕堤基荷載，也可防止或減少波浪越頂。當?shù)添斉R海側(cè)設有防浪墻、且防浪墻穩(wěn)定、堅固時，堤頂高程可算至防浪墻頂面。常用的防浪墻材料有漿砌石、灌砌石和鋼筋混凝土墻結(jié)構(gòu)。從強度要求和保護對象重要性角度考慮，本工程設計采用鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程取為上節(jié)確定的9.0m高程。

防浪墻迎海側(cè)設計采用反弧形，以減小波浪反射，使沖擊水流回轉(zhuǎn)，從而消減浪壓力，減少越堤水量。規(guī)定一級海堤不包括防浪墻的堤頂寬度應大于5m。結(jié)合運用管理情況，本次設計堤頂為現(xiàn)澆混凝土路面，寬6m（不含防浪墻寬度），路面高程低于墻頂1.2m。為利于排水，路頂面設計1%坡比傾向背海側(cè)。路面中心設置縮縫，采取誘導切割方式在路面中心切割一條假縫，當面板收縮時，將沿此最薄弱斷面有規(guī)則地自行斷裂。

對海堤軟土地基的常用處理措施，淺埋的薄層軟土宜挖除；當軟土厚度較大難以挖除或挖除不經(jīng)濟時，可采用墊層法、加筋土工織物鋪墊法、放緩邊坡或反壓法、排水井法、拋石擠淤法、水泥土攪拌樁法等。本工程為海底軟土上新筑堤，淤泥厚度比較大，不適合挖除。而水泥攪拌樁和拋石擠淤的投資都比較大，且水泥攪拌樁的強度上升比較緩慢，均不宜采用。

塑料排水板結(jié)合砂墊層排水，堆載預壓的方法，是由豎向排水與水平排水相結(jié)合形成完整的排水系統(tǒng)對地基進行固結(jié)加固。該方法工程造價低，排水效果明顯，地基強度增長明顯，是一種成熟、可靠的方法，在水上和陸上施工都非常方便，已在天津地區(qū)廣泛使用。采用塑料排水板地基礎處理后，主體部分的堤基沉降量可完成80%左右，可保證竣工后的安全運用，減少維修。根據(jù)防潮海堤工程級別、堤高、地質(zhì)條件、施工條件、工程使用和滲流控制等要求，本次工程堤基處理設計采用插塑料排水板加砂墊層后堆載預壓的方法。

設計排水板正方形布置，橫縱排間距為1.0m?？紤]到半圓體防波堤的整體穩(wěn)定性，不宜在其背海側(cè)地基處采用挖泥換砂措施，故在原泥面上鋪設1m厚粗砂墊層，砂墊層不僅做為水平排水系統(tǒng)，同時能提高地基承載力。上部堤身分級填筑，對地基進行堆載預壓處理。 2100433B

鋼腱施拉之前，必須檢視所有抓握器等是否裝置妥善，否則，冒然施拉。極易造成危險。校正施拉機上拉力表之準確性，使于鋼腱伸長量計算之拉力誤差在5%以內(nèi)。

檢查無誤后，即可將施拉械放至梁施拉端的錨柱外，將穿有鋼腱并已裝妥抓握器(或鉚釘頭)的鋼鈑于施拉械前端的端鈑或環(huán)鈑鎖牢。即可準備施拉。

施拉作業(yè)，最好于當?shù)貧鉁嘏c梁身混凝土溫度相若時施行，如氣溫低于混凝土溫度甚多時。則在前算鋼腱伸長量外，慮另加因溫度差而增加的伸長量。應注意施拉時鋼腱的應力不得超過最低終極強度的80%。

施拉械(tensioning machine)多為油壓動力，亦如一般的油壓千斤頂(oil jack)，其上附有壓力表。用以顯示施拉的拉力。

在進行預力施拉之前。應先將各鋼鋼腱拉緊，使其無松弛(slack)或下垂(sag)現(xiàn)象。然后于各鋼腱緊貼梁端端模處以油漆作一標記，作為將來計算鋼腱伸長量的基準線，同時記錄此時施拉械上壓力表的拉力讀數(shù)。作為初讀數(shù)，并予以推算施拉至應有拉力時的末讀數(shù)，作屬為將來施拉時控制拉力之需。

前述各項作業(yè)完成后，始可進行施拉。施拉時啟動油壓機開關(guān)閥。千斤頂即緩緩拉動貼于錨柱面上的鋼腱(個別施拉法)或穿有鋼腱的厚鋼鈑，由于各鋼腱已與鋼鈑鎖緊，因而施拉之拉力，即透過厚鋼鈑而均勻分布于各鋼腱承受，鋼腱受拉時，因其彈性的特性而伸長，此疇時必須貫注全神于施拉械之壓力表。待其讀數(shù)到達預先計算之末讀數(shù)時。應即停止施拉。并將拉力固定于此末讀數(shù)上，隨即于梁端端模處依前在鋼腱上標示之基線，量取其伸長量，以其與事先由拉力與應變曲線上計算所得的伸長量相印證，如兩者無誤或極為接近時，應即視屬為恰當，倘未達預定伸長量時，應再施加拉力，直至達到鋼腱有足夠的伸長量時為止(所施拉力已達計算所需而其伸長量未達預定長度的原因，是因鋼腱伸長時可能遭遇若干裝置摩擦而產(chǎn)生拉力損耗之故)。至此，則即認定鋼腱上承受的拉力已達預先計算的所需，應即完全停止施拉。如施拉端使用抓握器，應即將錐型梢全力推擠至套筒中空之內(nèi)，以至完全將鋼腱鎖緊為止，一般多于千斤頂上裝設推擠裝置，在施拉的同時自動推擠。如是鉚釘頭松懈時，則鉚釘頭即因施拉而自動鎖緊于鋼鈑之上。待抓握器完全鎖緊后，始可松脫施拉器，完成施拉作業(yè)。此時的鋼腱即在兩端抓握器鎖固下，維持施拉時的拉力。 2100433B

鋼腱伸長量指每根鋼腱在預應力的作用下的伸長量。在工程上，必須預先計算知道鋼腱的伸長量。伸長量的計算分為兩種情況：不考慮摩擦力和考慮摩擦力。

不考慮沿鋼腱的摩擦損失

若鋼腱均均一應力

在預力超過該綱腱比例限值時。上式就不可應用，需另參考應力-應變圖，求出

在鋼腱施預拉以前。常有若干定量的松弛。如用填隙版的Prescon系統(tǒng)，常計算填隙片長度此松弛必需酌減。再者可能要扣除干縮于在預拉時混凝土的彈性縮短。故填隙片的長度，必等于綱腱的彈性伸長，再加鋼腱內(nèi)的松弛量，以及預力轉(zhuǎn)移時的混凝土縮短。相反，鋼腱的彈性伸長量，必由外表伸畏量(apparent elongation)，減去初始松弛(initial slack)以及混凝士的彈性縮短而得。

此鋼腱內(nèi)的松弛量極不易準確決定。因此，通常給出初始拉力

伸長量=

例題：

一Prescon綱索18.3m長(見圖1)，在一端預拉，其初始預力，剛在預力轉(zhuǎn)移時，達到1035MPa。假定在鋼索內(nèi)并無松弛。在預力轉(zhuǎn)移時混凝土干縮為0.0002。并在混凝土中的平均壓縮沿鋼腱全長為5.5MPa。用

解：

鋼材的彈性伸長量為：

填隙片的長度為：

考慮沿鋼腱上的摩擦損失

具一定半徑R的一根彎曲鋼腱，在離開千斤頂端某距離的骷點上，其應力為：

鋼腱全長L上的全拉伸量為：

例題：

一鋼腱24.4 m長，若沿該圓形曲線上施預拉（圖2），R為31m。1240MPa的單位預應力經(jīng)由千斤頂端施加，并獲得其總伸長量為122mm。已知

解：

近似法鋼腱中平均應力為：

正確解法給出