張治明，于洋，王超，段蛟，錢克虎（中交第二航務工程局有限公司，湖北　武漢　430012）

裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)在強風浪條件下的應用

張治明，于洋*，王超，段蛟，錢克虎
（中交第二航務工程局有限公司，湖北武漢430012）

摘要：以色列阿什杜德港28號碼頭采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。新建碼頭處風浪條件惡劣，季風期有效波高達6 m以上，采取一種安全、高效、經(jīng)濟且適用于強風浪作用條件的夾樁結(jié)構(gòu)是保證施工期鋼管樁穩(wěn)定性的關(guān)鍵。經(jīng)過對多種夾樁結(jié)構(gòu)形式的分析比較，通過設(shè)計創(chuàng)新及優(yōu)化，提出了裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)，有效解決了現(xiàn)場諸多難題，保證了28號碼頭工程樁施工期的安全性。

關(guān)鍵詞：夾樁結(jié)構(gòu)；裝配式；透空管型；結(jié)構(gòu)設(shè)計；施工技術(shù)

目前，高樁碼頭一般采用牛腿+型鋼或抱箍+型鋼兩種夾樁結(jié)構(gòu)[1]進行夾樁，但在樁頂標高接近水面的情況下，牛腿結(jié)構(gòu)受波浪影響焊接難度大，工效低；抱箍結(jié)構(gòu)雖有效解決了現(xiàn)場焊接問題，但其具有結(jié)構(gòu)復雜、加工周期長、經(jīng)濟性差等缺點。同時在受強風浪條件作用下，型鋼平聯(lián)難以同時滿足水平力和豎向力要求。所以，尋找一種適用于強風浪作用條件且安全、經(jīng)濟、高效的夾樁結(jié)構(gòu)是以色列阿什杜德港28號碼頭施工期安全防護[2]的關(guān)鍵。

1　工程概況

1.1工程簡介

以色列阿什杜德港28號碼頭位于地中海阿什杜德港，采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，泊位長434 m。基礎(chǔ)采用鋼管樁，共計624根。平面布置見圖1。

1.2自然條件

1）水位

平均海平面：0.08 m大潮高潮位：0.38 m大潮低潮位：-0.22 m平潮高潮位：0.18 m平潮低潮位：-0.12 m

2）風

50 a一遇風速見表1。

圖1　28號碼頭平面布置圖（單位：m）Fig.1　Layout plan of Quay 28（m）

表1　50 a一遇風速統(tǒng)計Table 1　The wind speed statistics for every 50 years

3）波浪

50 a一遇波浪統(tǒng)計見表2。

表2　50 a一遇波浪統(tǒng)計Table 2　The wave statistics for every 50 years

2　方案比選

目前，沒有規(guī)范可為夾樁結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工提供指導，導致夾樁形式[3]多樣化，但大多采用牛腿+型鋼結(jié)構(gòu)和抱箍+型鋼結(jié)構(gòu)。所以，僅對牛腿+型鋼結(jié)構(gòu)、抱箍+型鋼結(jié)構(gòu)及兩種新型夾樁結(jié)構(gòu)進行比較。

2.1牛腿+型鋼結(jié)構(gòu)

牛腿+型鋼結(jié)構(gòu)主要采用焊接在工程樁上的鋼牛腿做為支撐點，在上面焊接縱橫平聯(lián)將工程樁連成整體，使其共同抵抗波浪力作用，示意圖見圖2。其主要優(yōu)點是可根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整牛腿及型鋼焊接位置，施工靈活，但對于本工程存在以下缺點：

1）工程樁頂標高為+2 m，焊接最低位置標高為+1 m，施工過程中受風浪條件影響嚴重，施工期短，施工效率低。

2）在惡劣風浪條件下，當波托力或下砸力接近或大于波浪水平力的情況下，型鋼弱軸方向難以承受豎向力，將導致夾樁結(jié)構(gòu)變形，以至工程樁失穩(wěn)。

圖2　牛腿+型鋼夾樁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Sketch map of corbel and shape steel and pile-clamping structure

2.2抱箍+型鋼結(jié)構(gòu)

抱箍+型鋼結(jié)構(gòu)一般采用通過預緊力固定在工程樁上的鋼抱箍做為支撐點，在上面焊接縱橫梁將鋼管樁連成整體，使其共同抵抗波浪力，示意圖見圖3。相對于牛腿結(jié)構(gòu)，主要解決了現(xiàn)場焊接問題，但抱箍結(jié)構(gòu)相對復雜，加工周期長，經(jīng)濟性相對較差，同時，型鋼平聯(lián)強弱軸受力不同的問題依舊存在。

圖3　抱箍+型鋼夾樁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Sketch map of hoop and shape steel and pile-clamping structure

2.3新型抱箍+鋼管結(jié)構(gòu)

新型抱箍+鋼管結(jié)構(gòu)主要是對平聯(lián)結(jié)構(gòu)本身以及鋼抱箍和平聯(lián)間的節(jié)點連接進行改進（見圖4）。將型鋼替換成鋼管，有效解決了型鋼強弱軸受力不同的問題；抱箍與鋼管間的連接由焊接改為抱箍預緊連接，有效規(guī)避了焊接受風浪影響的問題，加快了施工效率。但在極限工況下，根據(jù)計算，有效波高為6 m以上時，需采用準1 020伊10 mm以上直徑鋼管做為平聯(lián)，雖然符合受力條件，但如此大直徑的鋼管，經(jīng)濟性差，施工不便；同時該結(jié)構(gòu)對工程樁施工精度要求高，平聯(lián)四周同時精準對位難度大。

圖4　抱箍+鋼管夾樁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Sketch map of hoop and pipe and pile-clampingstructure

2.4裝配式透空管型結(jié)構(gòu)

裝配式透空管型結(jié)構(gòu)是指在工程樁上增加立桿，將平聯(lián)抬高。其中立桿采用透空管型結(jié)構(gòu)，平聯(lián)采用鋼管結(jié)構(gòu)，與立桿連接處采用方鋼過渡，其結(jié)構(gòu)見圖5、圖6。立桿與工程樁、平聯(lián)與立桿之間均采用螺栓連接，其所有構(gòu)件均可在后場加工成型，現(xiàn)場安裝。該結(jié)構(gòu)的主要特點在于，透空式管型立桿可有效削減波浪水平力的作用；抬高后的鋼管平聯(lián)可有效規(guī)避波浪力水平、豎向力的作用，各裝配構(gòu)件間采用螺栓連接有效解決了現(xiàn)場焊接難度大的問題，具有安全可靠、施工便捷、經(jīng)濟適用等優(yōu)點。

圖5　裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)平面圖Fig.5　Floor plan of prefabricated vacant-pipe type pile-clamping structure

圖6　裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.6　Cross section of prefabricated vacant-pipe type pile-clamping structure

2.5施工方案選擇

從以上4種方案分析，結(jié)合本項目特點，裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)越性，不但有效降低了夾樁結(jié)構(gòu)自身受波浪力的影響，而且減小了材料型號，既保證了安全，又節(jié)約了施工成本，同時所有裝配式結(jié)構(gòu)均采用工廠加工，現(xiàn)場螺栓連接，大大提高了施工工效。盡管其結(jié)構(gòu)具有加工精度要求高的施工難點，但是通過工廠精加工是完全可以解決的。因此，以色列阿什杜德港項目施工碼頭采用了裝配式透空管型結(jié)構(gòu)做為28號碼頭的夾樁結(jié)構(gòu)。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1結(jié)構(gòu)形式

裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)主要由立桿和平聯(lián)組成。結(jié)構(gòu)布置見圖5、圖6。

1）立桿：主要用于將平聯(lián)頂標高抬高，有效減小波浪力對平聯(lián)的作用，采用3根準159伊8 mm鋼管組合而成，通過準76伊6 mm鋼管連接成整體。其下部通過肋板與工程樁栓接，上部通過頂板與平聯(lián)連接。

圖8所示為連接本文所提電路的壓電片兩個輸出端之間的壓差波形。圖9所示為同步開關(guān)控制信號(上)與壓電片一端電壓的波形(下)對應圖。在壓電片輸出一端的上升沿和下降沿開關(guān)控制信號都會產(chǎn)生一個瞬間的低電平,并且緊緊跟隨。實驗中開關(guān)是用兩個背靠背的PMOS管實現(xiàn),當控制信號為低電平時,開關(guān)閉合,L-C諧振開始。一旦L-C諧振結(jié)束,電感中無電流,同步開關(guān)馬上斷開。本文提出的電路中整個L-C諧振過程開關(guān)的通斷時間由檢測電路得到,可根據(jù)電路參數(shù)進行自適應。

2）平聯(lián)：主要用于將所有工程樁連成整體，使其共同抵抗波浪力的作用，采用準325伊10 mm鋼管，與豎桿連接部位采用30 mm伊30 mm方鋼過渡。

3.2結(jié)構(gòu)受力計算

為保證精確計算，采用手算[4-5]和電算相結(jié)合的方式進行結(jié)構(gòu)受力計算，電算采用MIDAS有限元軟件計算。

1）計算工況

工況一：沉箱前部已完成拋石，28-A～28-D鋼管樁形成夾樁平臺。波高Hs=6.2 m，周期T= 12.4 s，流速V=1 m/s。

工況二：沉箱前部完全未拋石，28-A～28-G鋼管樁形成夾樁平臺，波高Hs=6.2 m，周期T= 12.4 s，流速V=1 m/s。

工況三：沉箱前部完全未拋石，28-A～28-G鋼管樁形成夾樁平臺并考慮2 000 t駁船系纜靠泊。波高Hs=1.0 m，周期T=7.9 s，流速V=1 m/s。

2）計算結(jié)果

4　施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1裝配式構(gòu)件精加工

裝配式構(gòu)件加工主要包括立桿加工、平聯(lián)加工及工程樁樁頂連接板加工，為了保證加工精度，立桿連接板及工程樁連接板均需采用三腳架精定位后進行焊接，加工精度需控制在依1 mm。

4.2現(xiàn)場安裝

現(xiàn)場采用吊車配合人工安裝，為了保證安裝準確，需將各構(gòu)件提前編號。安裝過程中需保證各構(gòu)件連接牢靠。

4.3夾樁結(jié)構(gòu)拆除及上部結(jié)構(gòu)施工

上部結(jié)構(gòu)施工前，需拆除夾樁結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計時對工程樁樁頂預留30 cm進行后續(xù)切割，所以夾樁結(jié)構(gòu)采取分片切割，分組吊裝的拆除方式，即每兩排為一組，整體切割，整體吊裝。切割過程中需要注意，采用冷切割和控制標高應符合設(shè)計要求。

夾樁結(jié)構(gòu)拆除2組后，開始上部結(jié)構(gòu)施工，包括樁帽、橫梁及面板施工等。為保證工程樁安全，需形成流水作業(yè)，邊拆除、邊施工。

5　結(jié)語

以色列阿什杜德港28號碼頭通過采用裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)對工程樁進行夾樁，有效解決了現(xiàn)場諸多難題，保證了工程樁施工期的安全性。

通過對傳統(tǒng)夾樁結(jié)構(gòu)分析到新型夾樁結(jié)構(gòu)設(shè)計再到現(xiàn)場施工技術(shù)研究，筆者對該夾樁結(jié)構(gòu)有以下幾點體會：

1）裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)作為一種新型夾樁結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)夾樁結(jié)構(gòu)，其主要特點是既有效規(guī)避了強風浪條件下波浪力的作用，又解決了現(xiàn)場焊接難度大的技術(shù)難題，同時具有安全可靠、施工便捷、經(jīng)濟適用等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)形式在強風浪條件下具有較大應用價值。

2）裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)在加工及安裝過程中均對精度要求較高，但通過有效的技術(shù)措施是完全可以解決的。

3）技術(shù)創(chuàng)新是施工技術(shù)進步的核心力，通過對傳統(tǒng)施工工藝的研究以及對所面對的施工難題的分析，實現(xiàn)了新型夾樁結(jié)構(gòu)的應用。

參考文獻：

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[5]JTS 145-2—2013，海港水文規(guī)范[S]. JTS 145-2—2013,Code for sea port hydrology[S].

E-mail：26975055@qq.com

中圖分類號：U656.113

文獻標志碼：A

文章編號：2095-7874（2016）01-0028-04

doi：10.7640/zggwjs201601007

收稿日期：2015-08-03修回日期：2015-10-27

作者簡介：張治明（1973—），男，湖北武漢市人，高級工程師，港口及航道工程專業(yè)，從事路橋施工管理及港口碼頭施工管理工作。

*通訊作者：于洋，

Application of prefabricated vacant-pipe type pile-clamping structure under strong wind

ZHANG Zhi-ming,YU Yang*,WANG Chao,DUAN Jiao,QIAN Ke-hu
（CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430012,China）

Abstract：Quay 28 of Ashdod Port in Israel adopts a high piled slab structure.The new port is at a severe wave condition with the maximum effective wave height above 6 m at monsoon seasons,therefore the adoption of the pile-clamping structure that is safety,effective,economical and appropriate to the severe wave condition is the key factor to the stability of the steel pipe piles in construction.The prefabricated pipe type pile-clamping structure was innovated and optimized through comparison with various pile-clamping structures,which successfully solved many difficulties at construction site,and it guaranteed the security of the piles憶construction of Quay 28.

Key words：pile-clamping structure;prefabricated;vacant-pipe type;structure design;construction technique