關于海港碼頭鋼管樁樁頂與上部結構連接方式

鄧振洲，黃 勝

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

引 言

根據現行《港口工程樁基規范》相關規定，鋼管樁與上部結構應采用剛接，通常采用的連接方式有樁頂直接深入上部結構或樁頂通過錨固鐵件或鋼筋深入上部結構，以達到剛接的目的。有經驗時也可通過采用樁頂部設置樁芯鋼筋混凝土的連接方式，但沒有明確如果采用樁頂設置樁芯鋼筋混凝土時，該如何確定樁芯鋼筋混凝土的長度。本文結合印尼某電廠碼頭鋼管樁樁頭連接方式，對樁芯鋼筋混凝土的長度確定進行初步探討。

1 工程概況

碼頭是印尼某電廠的配套工程，為1座2萬t級進口煤炭碼頭。碼頭采用預制高樁梁板結構，靠船裝卸平臺平面尺度為195 m×24 m。排架間距為8.0 m，每榀排架設6根樁徑1.2 m的鋼管灌注型嵌巖樁，為全直樁。平臺上部結構由橫梁、縱向梁系、迭合面板和靠船構件組成。碼頭斷面如圖1。

圖1 碼頭結構斷面示意

2 鋼管樁頂部和上部結構連接方式選擇

根據現行《港口工程樁基規范》，鋼管樁與上部結構的連接應采用剛接，通常采用的連接方式有樁頂直接深入上部結構或樁頂通過錨固鐵件或鋼筋深入上部結構，連接型式如圖2所示。

圖2 鋼管樁與上部結構連接型式示意

采用上述連接方式，計算按照規范要求，滿足表1計算即可。

然而，本項目工期緊，且由于碼頭面處印度洋，海況條件極其惡劣，如果采用樁頂直接伸入上部結構的連接方式，則下橫梁鋼筋綁扎難度較大，時間較長，工人操作不方便，偏于危險，且造價相對較高，因此不采用此種連接方式。若樁頂通過錨固鐵件或鋼筋與橫梁連接，需在沉樁后在鋼管樁內壁焊接錨固鐵件或鋼筋，并將錨固鐵件或鋼筋伸入橫梁。采用此種連接方式，在鋼管樁內壁焊接錨固鐵件或鋼筋時，將由于焊接造成鋼管樁溫度急劇升高，造成鋼管樁防腐蝕保護涂層破壞，在處于半日潮和波浪較大的情況，對被破壞的防腐蝕保護涂層進行修補，難度極大，所以此種連接方式亦被排除。綜合考慮，本項目采用樁頂設置樁芯鋼筋混凝土的連接方式。

表1 樁頂剛接錨固驗算項目

3上部結構連接方式注意事項

樁頂采用樁芯鋼筋混凝土與上部結構連接，除應滿足抗彎、抗剪和抗軸向力要求外（此部分計算本文不深入），尚應根據樁基具體受力情況，考慮相應處理措施。

3.1 樁芯鋼筋強度

樁基承受軸向受拉力時，還應關注樁芯鋼筋與上部結構的連接強度問題，樁芯鋼筋面積可參考規范《港口工程樁基規范》（JTS 167-4-2012）的公式5.4.11進行計算。

樁芯鋼筋長度在滿足錨固長度Lm外，尚應考慮鋼筋的抗拔性，因為現有港口規范尚無明確鋼筋與混凝土的粘結強度計算公式，由于鋼筋與嵌巖樁的錨桿類似，建議可采用《港口工程樁基規范》（JTS 167-4-2012）的公式8.3.6進行計算，因此樁芯鋼筋長度取為Lq=max{Lm,L}。

3.2 樁芯混凝土與鋼管樁內壁連接強度問題

樁基受到軸向力作用時，應充分考慮樁芯混凝土與鋼管樁內壁的粘結強度，否則將有可能造成樁芯混凝土脫離。在我國現有規范中，對混凝土與鋼管樁粘結作用尚無明確的計算方法，美國石油協會的推薦手冊《海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法 工作應力設計法》（RP 2A-WSD）中的7.4條對鋼管樁內壁有無設置剪力鍵的粘結強度分別進行了規定，具體如下：

1）無剪力鍵條件下的粘結強度

對于承載能力極限狀態的粘結強度為：fba=0.184 MPa；

對于正常使用極限狀態的粘結強度為：fba=0.134 MPa。

2）有剪力鍵條件下的粘結強度

設置剪力鍵如圖3。

對于承載能力極限狀態的粘結強度為：fba=0.184 MPa+0.67fcu·h/s；

對于正常使用極限狀態的粘結強度為：fba=0.134 MPa+0.5fcu·h/s。

其中：

fcu為水泥漿無側限抗壓強度，MPa；

h為剪力鍵凸出高度，mm；

s為剪力鍵間距，mm。

圖3 設置剪力鍵示意

本項目樁芯混凝土與上部結構連接方式采用無剪力鍵連接方式，因此承載力極限狀態和正常使用極限狀態的粘結強度分別為 0.184 MPa和0.134 MPa。

在樁基軸向力作用下，樁芯柱的長度Lz按以下公式進行計算：

Lz=F/πd·fba

式中：

Lz為樁芯柱長度，m；

F為樁基軸向力設計值，kN；

d為鋼管樁內徑，mm；

fba為混凝土與鋼管樁內壁的粘結強度，MPa。

綜上，樁芯長度應取為：L=max{Lq,Lz}。

本碼頭采用 robot軟件對碼頭平臺進行計算，統計各種工況的樁基內力，通過上述分析和計算，樁芯鋼筋混凝土長度確定為3.5 m。

若需適當降低樁頭芯柱長度，可通過設置剪力鍵，使剪力鍵承擔部分荷載及加強混凝土與樁內壁的粘結強度。

經反饋，碼頭已建成安全運行多年，因此在鋼管樁樁頂不適合采用樁頂直接深入上部結構或樁頂通過錨固鐵件或鋼筋深入上部結構的連接方式的條件下，通過以上設計方法來確定鋼管樁樁頂與上部結構采用樁芯鋼筋混凝土的連接方式是安全可靠的。

4 結 語

1）鋼管樁樁頂與上部結構采用樁芯鋼筋混凝土的連接方式除了考慮樁芯籠本身的受力外，還應考慮樁芯混凝土與鋼管樁的粘結強度，現行規范對樁芯混凝土與鋼管樁的粘結強度及共同受力沒有明確規定，本文通過實際工程實踐證明，上述考慮方法是可行的、安全可靠的，可為類似項目提供參考、借鑒；

2）如果實際工程樁中，樁基內力較大，按照上述方法計算出樁芯鋼筋混凝土的長度過長，費用較高，可按照美國石油協會的推薦手冊《海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法 工作應力設計法》（RP 2A-WSD）中的建議設置剪力鍵，對此進行研究，以降低造價。