浅水浅海预应力混凝土结构分析与设计
摘要
超过一个世纪以来，预应力混凝土结构已在世界各地取得显着成功。 然而，仍然存在与分析和设计以及混凝土结构的使用性能有关的问题。 本文重点介绍了在浅水中部署的预应力混凝土结构的设计概念，材料行为，分析方法和结构系统。 对与预应力混凝土结构有关的材料和设计要求进行了审查，并确定了潜在的技术挑战。 此外，一些建议和建议被总结为未来实践的指导。
1.背景
在建筑结构中使用混凝土可以追溯到二十世纪初。 第一艘钢筋混凝土帆船纳森弗德号于1917年在挪威建成[1]。 随后，由于钢材短缺，在第一次和第二次世界大战中建造了数百艘混凝土船。 特别是在第二次世界大战期间，两艘船采用了预应力混凝土（PC）预制蜂窝模块[2]。 在20世纪50年代后期，一些由预应力混凝土制成的远洋驳船在菲律宾设计和建造。 1975年，世界上第一台大型PC液化石油气（LPG）储存船在爪哇海建造和部署[3]。 船体设计和建造成后张混凝土分段结构，可承载12个独立钢罐，总容量为375,000桶。 作为世界上最大的现代化PC驳船驳船，恩科萨号石油生产单位于1996年在刚果海岸建造。 它长220米，宽46米，深16米。恩科萨号驳船已经在现场成功运行了20年[4,5]。 在2002年，世界上最大的长352米，宽28米的混凝土护堤被安装在摩纳哥港口，作为防波堤和巡洋舰码头。 它建在一个15米深的干船坞内，并被拖到摩纳哥进行安装。 预计将有120年的历史[6]。
为了石油勘探和生产的目的，1973年在北海安装了第一个主要基地支撑的混凝土结构埃克斯克油罐。 从那时起，在北海，墨西哥湾和西非建造了40多个混凝土平台。 这些远岸混凝土平台在海水环境中的表现非常好，几乎没有维护。 1995年，第一台安装在北海海德润地区的345米水深的称为拉伸腿平台（TLP）的创新型浮式混凝土平台结构。 在同一时期，特洛洛杰的一个半裸的平台，在北海深水处建造了由悬链系泊的水下混凝土船体。
对于一些具有沿海地区的大都市，如新加坡，上海和东京，需要扩大可用空间来解决城市环境中的土地稀缺问题。 以往的经验表明，随着城市的发展和发展，土地开垦和使用浮式结构是增加可用空间以适应工业设施，居住和基础设施的两个主要选择。 与土地开垦相比，优先考虑建筑结构，因为它们更环保，并且需要更少的建设成本，特别是当水深较大且海床较软时。
大多数现有的浮式混凝土结构位于深海海域，可能不适合浅海沿岸地区。 图1显示了位于浅海沿岸地区的两个混凝土墩。 根据以往的工程经验，在深海和浅海水区域的软化结构之间的一个主要问题是系泊系统，其作用是保持结构的位置并防止它在临界海况下漂移[8]。 与传统的系泊系统相比，如链/缆绳，张力腿等，海豚 - 挡泥板系统（图2（a））更适合浅海水域的结构，因为它可以有效地限制侧向运动[9] 。 海豚 - 挡泥板系泊系统首先在日本上本和白岛两个营养储油基地采用，并已被用于其他设施[10,11]。 图2（b）和（c）显示了实际的横向和滚轮挡泥板安装在海豚和软化结构之间的界面，它们能够承受大的变形并吸收软化结构的动能[9]。 当顶部安装在下部结构上时，应仔细设计交叉点以考虑界面剪切力。 鉴于浮式结构通常经历比固定结构更大的位移，优选的是，顶侧结构可以从浮式结构的变形解耦合。 由于缺乏来自现有混凝土浇筑结构的文件化界面配置，FPSO的工程解决方案可以在此处提及，并且包括使用：（1）多个剪切柱支撑; 和（2）支撑与滚子和滑动接头或弹性垫[12,13]的凳子。
本文对通用型混凝土结构的材料和分析的设计考虑和要求进行了严格审查。 强调了在浅水中部署PC偏移结构的问题，并提出了一些建议。
图1.位于海岸线旁边的浮动混凝土墩
1.1海水环境中PC结构的特征
由于历史原因，海洋结构已经由钢铁建造了一个多世纪。 然而，工程经验表明，如果在严格的质量控制下进行适当的设计和施工，预应力混凝土由于其优异的耐久性和耐腐蚀性可能是钢结构用于建筑物的优选材料[3]。 许多研究人员已经认识到预应力混凝土在海水环境中的优越性[14-16]，其中主要有：
（a）混凝土材料的使用通常会导致较低的初始建设成本;
(b)大型结构可与预制构件进行组装，这些预制构件由后张索筋和现场浇注（CIP）接头集成，从而使施工更简单;
(c)混凝土在海水环境中显示出优越的耐久性，从而降低了维护，检查和维修的成本;
(d)混凝土结构减少疲劳型载荷造成的损害;
(e)混凝土结构具有较大的本地和全球企业，并且在承受意外冲击载荷方面表现出优越的性能;
(f)通过适当的混合设计，高性能混凝土表现出优异的耐腐蚀性; 此外，预应力使混凝土保持压缩状态，这改善了水密性并限制了结构构件中的裂缝形成; 和
(g)混凝土结构具有优异的隔热和耐重新性能
图2.海豚护舷系泊系统。
图2.海豚护舷系泊系统
1.2 对结构进行特殊设计的考虑
由于不同的荷载条件和环境条件，混凝土在海水环境中的结构应用通常需要比典型的陆基混凝土结构更广泛的考虑[17-19]。 一些特殊的考虑如下：
(a)浮力结构的自重由浮力自动平衡，并且不需要大型和昂贵的支撑基础;
(b)浮式结构的大小取决于功能和环境条件，如电流，波浪和风; 设计可能受永久和可变作用的峰值负荷或周期性环境负荷引起的疲劳强度支配;
(c)在设计中需要考虑可能的意外事件，如船舶碰撞和爆炸，以确保整体安全;
(d)与其地基浇筑到位的陆基建筑不同，通常在远离安装地点的岸基地点建造起伏结构; 在施工和拖曳期间的力可能施加比在使用中的结构元件遇到的不同应力; 和
(e)由于腐蚀性的海洋环境，必须为打顶结构提供良好的钢材防腐保护系统。
1.3 设计准则
轻钢龙骨结构的设计应遵循由政府机构和分类协会制定的普通混凝土结构的规则和规定[20]。 虽然没有针对PC软化结构找到特定的设计规范和标准，但可以参考相关的设计原理和标准。 特别是，美国混凝土协会（ACI）委员会357发表了关于浮式和浮式混凝土结构的报告，这可以被视为设计指南[2]。 其他指南如EN 1992欧洲规范2：混凝土结构设计[21]，加拿大标准CSA S474混凝土结构[22]，DNV-OS-C502海上混凝土结构[23]，DNV-OS-C503混凝土液化天然气码头结构和围堰系统[24]，ISO 19903固定混凝土海上结构[25]，OTG-02浮式液化气体终端[26]和日本浮桥设计规范（JFBDS）[27]也提供了有用的信息。
- 物料
在整个结构的规定设计寿命期间，在建筑，服务和操作阶段，用于PC结构的塑性材料应提供所需的性能。
2.1 具体
材料要求随着构造软化PC结构的环境条件而变化。 根据EN 1992，暴露等级XS3适用于潮汐，飞溅和喷射区域的结构构件，并且通常应相应地对沿海地区的混凝土结构进行调整[21]。 这种暴露等级要求选择足够耐用的混凝土来加强和预应力钢的腐蚀防护。 一般来说，混凝土应具有足够的强度以达到预应力和安装的目的。 它应该具有足够低的密度以便于结构的浮力和携带更高的有效载荷。 因此，通用软化结构的混凝土配合比例必须适应密度，强度和耐久性的特殊要求。 至于燃料储存和生产结构，还应考虑到再阻力的特殊要求。 另外，根据MARPOL规则[28]，需要认真处理污染预防。
2.1.1混凝土密度和强度
普通混凝土（NWC）和轻骨料混凝土（LWAC）都可以用于计算机结构。 LWAC由轻质集料制成，密度比NWC低20-35％。 为了实现减重和较浅的吃水，建议使用密度低于2000 kg / m3的LWAC。 在某些情况下，在下部使用NWC而在软化结构的上部使用LWAC可能是重要的，以便降低重心并因此改善结构的稳定性。 另外，通过用高质量结构轻质骨料部分替代天然粗骨料生产的改性普通密度混凝土（MNDC）可以作为用于软化结构的受损材料选项。原位MNDC产品的密度降低了2250 kg / m3和令人满意的机械性能相当于NWC已成功实现并应用于现有工程实践中，如希伯尼亚混凝土平台，巨魔GBS平台等[29,30 ]。
根据环境的侵蚀性和设计使用寿命以及引入预应力的目的，建立所需的混凝土配合比和强度。 通常预计浮式混凝土结构的使用寿命在50和100年之间，优选具有低维护成本。 表1列出了海水环境中PC结构的各种规范和标准中规定的最小混凝土强度等级。 具体来说，EN 1992要求混凝土结构的最小混凝土圆柱体抗压强度为45兆帕（6500磅/平方英寸），在海水环境中的设计工作寿命为100年。 值得一提的是，用于美国PC结构的抗压强度的共同值是在35和70MPa之间[31]。
在高强度LWAC的开发方面取得了显着进展，从而使混凝土作为用于软化结构的材料具有更具竞争力的地位。 在工程实践中，NWC和LWAC通常可达到83（12,000 psi）和62 （9000 psi）的抗压强度[2]。 高强度LWAC现在可以由预拌混凝土供应商经济地生产，因此可以供应用于建筑结构。
许多研究人员对NWC和LWAC的密度和抗压强度之间的关系进行了研究[32-34]。 图3（a）显示，NWC的抗压强度随密度增加而增加，但在该关系中存在较大的变化。 至于LWAC，抗压强度高度依赖于所用轻质粗骨料的类型。 图3（b）显示了不同类型LWAC的这两种性质之间的正相关性。 由于较高的集料强度，膨胀粘土，板岩，页岩通常用于轻质混凝土结构。 仔细选择轻质骨料对于确保达到所需的抗压强度很重要。
表格1
海水中PC结构的最小混凝土抗压强度。
规范和标准 最小（）
DNV-OS-C502 35
EN 1992 45
ACI 318 35
JFBDS 40a
- 从指南中的设计示例中提取
2.1.2 耐久力
作为关键特征之一，耐久性对于确保在期望的暴露环境中使混凝土结构在整个所需使用寿命期间具有功能性至关重要。 尽管在结构设计中通常需要最小水平的抗压强度，但应该注意的是，抗压强度不能被视为确保耐久混凝土的替代试验[35]。 虽然两种性能在同一方向上都有改善的趋势，但抗压强度和耐久性之间没有明显的正相关[36-38]。 仅满足强度要求的混凝土可能无法达到预期的耐久性。 不同比例的混合物，固结措施，固化技术和其他方面可能产生具有类似强度但不同耐久性水平的混凝土。 因此，适当的质量控制体系和混合料设计，结构布局和施工过程在内的整个过程中的相应实践对于生产高品质的耐用混凝土产品是至关重要的。
在不同的环境条件下，包括氯化物侵入，碱 - 骨料反应，硫酸盐侵蚀，碳化，磨损等，各种劣化机理都会影响混凝土的耐久性。根据现有的工程实践，对于严峻的海洋环境，特别是在喷雾区和潮汐区，由于氯化物引起的钢筋腐蚀和预应力钢的腐蚀结构的恶化是引起关注的主要原因[39]。通过适当的混合比例，可以使用具有低渗透性和低海水反应性的混凝土来缓解这个问题。为了达到这个目的，低含水量与胶凝材料的比例（w / cm）加上硅灰和/或灰分可以有效地降低混凝土的渗透性并改善抗氯离子穿透性[40,41]。 对于w / cm为0.40和0.50的混凝土来说，氯离子渗透率比w / cm为0.32的混凝土提高约4-6倍[42]。 ACI委员会357规定了飞溅区内固定的远岸混凝土结构的理想低w/cm值（最大值0.40）[43]。 同样，挪威公共道路管理局为海洋环境中桥梁的最暴露部分设定了0.38的较高水平[44]。ACI报告说，通常在混凝土混合物中加入灰烬，含量为大型海洋结构中水泥质量的10-30％，以提高抗氯化物腐蚀的能力[42]。 硅粉的使用以几种方式起作用，以降低腐蚀风险[45-47]。 图4（a）和（b）显示了硅灰替代物对氯化物渗透率的降低。 已知二氧化硅烟气通过降低氯化物渗漏系数来提高混凝土耐久性，低含量的硅灰替代物可以迅速降低渗漏值[48]。
此外，提供用于钢筋加固和预应力的高性能混凝土保护层将为海水环境建立一个屏障，这有助于提高结构的耐久性。 有意义的研究表明，即使w / cm值低至0.30，25 mm混凝土保护层也不足以保护钢筋。 实验测试还表明，氯化物进入深度达到50毫米，氯化物的含量可以在外部12毫米非常高，即使在高品质的混凝土[49,50]。范戴维尔和谢里特建议在克亚尔建议在氯化物环境中使用典型的混凝土保护层以减少腐蚀的可能性时，提供至少65毫米的钢筋设计标称覆盖层，而克亚尔则建议使用这种覆盖层[51,52]。
表2列出了海水环境下PC结构的各种规范和标准规定的最小混凝土保护层，
表2
海水中PC结构的最小混凝土保护层要求
规范和标准 混凝土保护层（mm）设计寿命100年
DNV-OS-C502 70
EN 1992 45/55a
ISO 19903 50/90b
ACI 318 76
JFBDS 70公元前
a钢筋为45毫米，预应力钢为55毫米。 b钢筋为50毫米，预应力钢为90毫米。 c该值从相关论文
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