裝配式透空管型夾樁結構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）

裝配式透空管型夾樁結構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構。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、經濟且適用于強風浪作用條件的夾樁結構是保證施工期鋼管樁穩定性的關鍵。經過對多種夾樁結構形式的分析比較，通過設計創新及優化，提出了裝配式透空管型夾樁結構，有效解決了現場諸多難題，保證了28號碼頭工程樁施工期的安全性。

關鍵詞：夾樁結構；裝配式；透空管型；結構設計；施工技術

目前，高樁碼頭一般采用牛腿+型鋼或抱箍+型鋼兩種夾樁結構[1]進行夾樁，但在樁頂標高接近水面的情況下，牛腿結構受波浪影響焊接難度大，工效低；抱箍結構雖有效解決了現場焊接問題，但其具有結構復雜、加工周期長、經濟性差等缺點。同時在受強風浪條件作用下，型鋼平聯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、經濟、高效的夾樁結構是以色列阿什杜德港28號碼頭施工期安全防護[2]的關鍵。

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，采用高樁梁板式結構，泊位長434 m。基礎采用鋼管樁，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一遇風速統計Table 1　The wind speed statistics for every 50 years

3）波浪

50 a一遇波浪統計見表2。

表2　50 a一遇波浪統計Table 2　The wave statistics for every 50 years

2　方案比選

目前，沒有規范可為夾樁結構設計和施工提供指導，導致夾樁形式[3]多樣化，但大多采用牛腿+型鋼結構和抱箍+型鋼結構。所以，僅對牛腿+型鋼結構、抱箍+型鋼結構及兩種新型夾樁結構進行比較。

2.1牛腿+型鋼結構

牛腿+型鋼結構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。其主要優點是可根據現場實際情況調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，將導致夾樁結構變形，以至工程樁失穩。

圖2　牛腿+型鋼夾樁結構示意圖Fig.2　Sketch map of corbel and shape steel and pile-clamping structure

2.2抱箍+型鋼結構

抱箍+型鋼結構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。相對于牛腿結構，主要解決了現場焊接問題，但抱箍結構相對復雜，加工周期長，經濟性相對較差，同時，型鋼平聯強弱軸受力不同的問題依舊存在。

圖3　抱箍+型鋼夾樁結構示意圖Fig.3　Sketch map of hoop and shape steel and pile-clamping structure

2.3新型抱箍+鋼管結構

新型抱箍+鋼管結構主要是對平聯結構本身以及鋼抱箍和平聯間的節點連接進行改進（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，雖然符合受力條件，但如此大直徑的鋼管，經濟性差，施工不便；同時該結構對工程樁施工精度要求高，平聯四周同時精準對位難度大。

圖4　抱箍+鋼管夾樁結構示意圖Fig.4　Sketch map of hoop and pipe and pile-clampingstructure

2.4裝配式透空管型結構

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

圖5　裝配式透空管型夾樁結構平面圖Fig.5　Floor plan of prefabricated vacant-pipe type pile-clamping structure

圖6　裝配式透空管型夾樁結構斷面圖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，結合本項目特點，裝配式透空管型夾樁結構具有明顯的優越性，不但有效降低了夾樁結構自身受波浪力的影響，而且減小了材料型號，既保證了安全，又節約了施工成本，同時所有裝配式結構均采用工廠加工，現場螺栓連接，大大提高了施工工效。盡管其結構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構做為28號碼頭的夾樁結構。

3　結構設計

3.1結構形式

裝配式透空管型夾樁結構主要由立桿和平聯組成。結構布置見圖5、圖6。

1）立桿：主要用于將平聯頂標高抬高，有效減小波浪力對平聯的作用，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控制信號都會產生一個瞬間的低電平,并且緊緊跟隨。實驗中開關是用兩個背靠背的PMOS管實現,當控制信號為低電平時,開關閉合,L-C諧振開始。一旦L-C諧振結束,電感中無電流,同步開關馬上斷開。本文提出的電路中整個L-C諧振過程開關的通斷時間由檢測電路得到,可根據電路參數進行自適應。

2）平聯：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結構受力計算

為保證精確計算，采用手算[4-5]和電算相結合的方式進行結構受力計算，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）計算結果

4　施工關鍵技術

4.1裝配式構件精加工

裝配式構件加工主要包括立桿加工、平聯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現場安裝

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

4.3夾樁結構拆除及上部結構施工

上部結構施工前，需拆除夾樁結構。由于設計時對工程樁樁頂預留30 cm進行后續切割，所以夾樁結構采取分片切割，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計要求。

夾樁結構拆除2組后，開始上部結構施工，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，邊拆除、邊施工。

5　結語

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構對工程樁進行夾樁，有效解決了現場諸多難題，保證了工程樁施工期的安全性。

通過對傳統夾樁結構分析到新型夾樁結構設計再到現場施工技術研究，筆者對該夾樁結構有以下幾點體會：

1）裝配式透空管型夾樁結構作為一種新型夾樁結構，相對于傳統夾樁結構，其主要特點是既有效規避了強風浪條件下波浪力的作用，又解決了現場焊接難度大的技術難題，同時具有安全可靠、施工便捷、經濟適用等優點。其結構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構在加工及安裝過程中均對精度要求較高，但通過有效的技術措施是完全可以解決的。

3）技術創新是施工技術進步的核心力，通過對傳統施工工藝的研究以及對所面對的施工難題的分析，實現了新型夾樁結構的應用。

參考文獻：

[1]劉忠友.夾樁模式分析[J].交通工程建設，2010（3）：9-12. LIU Zhong-you.Analysis of the pile-clamping mode[J].Traffic Engineering Construction,2010(3):9-12.

[2]劉日杰.高樁碼頭夾樁與單樁度汛的處理措施[J].中國水運（下半月），2015（4）：258-260. LIU Ri-jie.Preventions of long piled wharf pile-clamping and single pile flood[J].China Water Transport,2015(4):258-260.

[3]劉梅梅，程博.高樁碼頭夾樁施工形式優化[J].水運工程，2015 （3）：171-177. LIU Mei-mei,CHENG Bo.Optimization of the construction mode of long piled wharf pile-clamping[J].Port&Waterway Engineering, 2015（3）：171-177.

[4]GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structure[S].

[5]JTS 145-2—2013，海港水文規范[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，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