[发明专利]带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤及其设计方法

权利要求书

1.一种带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤，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，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤，其特征在于：所述桩基础包括每隔5m设置的横向排架，所述横向排架包括四根钢管桩，其中两根为直桩，另外两根为叉桩。

3.根据权利要求1所述的带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤，其特征在于：所述横梁为截面为倒T形的钢筋混凝土横梁。

4.根据权利要求1所述的带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤，其特征在于：所述圆弧板上开设有排气孔，开孔率为5％。

5.根据权利要求1所述的带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤，其特征在于：所述腹板上开设有矩形的消浪孔，开孔率为15％～35％。

6.根据权利要求1所述的带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤，其特征在于：所述底板上开设有泄压孔，开孔率为10％～20％。

7.一种带圆弧板的Π型桩基透空式防波堤的设计方法，其特征在于：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可按下列方法确定：

(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)

αs=0.6+12[4πh1Lsinh(4πh1L)]2---(4)]]>

αb=1cosh(2πΔh1L)---(5)]]>

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)

λp=cos4(2πΔlL)---(9)]]>

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可按下列方法确定：

(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)

λp′=cos4(2π(Δl)′L)---(14)]]>

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，均匀分布压强可按下列公式计算：

PγHB=1.4(1-Δh2η0)0.8exp[-(Δh2η0-0.7)2]---(15)]]>

η0=H2+πH22L[cosh2πhL(cosh4πhL+2)4(sinh(2πhL)3]---(16)]]>

x=LπarccosΔh2η0---(17)]]>

p‾=2P/x---(18)]]>

式中：P为Π型构件底板受到的最大总上托力，单位为kN；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可按下列公式计算：

piγH=4(1-Δhη0)0.6exp[-1.4(Δhη0-0.55)2]---(19)]]>

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。