組合鋼管板樁碼頭結構設計及耐腐蝕分析

李小烜

摘 要：組合鋼管板樁碼頭作為一種新型的碼頭結構形式，兼具傳統鋼板樁和鋼管樁的優點。組合式鋼管板樁結構與傳統的鋼板樁結構相比，性能上更加優越，結構受力方面更加合理，對荷載和地質條件的適用性更強，具有較廣闊的應用前景。本文以廣州港某板樁碼頭為例，對組合鋼板樁的受力特點進行分析，闡述了影響組合鋼板樁耐腐蝕性的因素。

關鍵詞：組合鋼板樁;結構設計;鋼管樁

中圖分類號：U656.1? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0075-03

鋼板樁作為一種新型建材，具有安全可靠、節能環保、沉樁施工便利等特點。近年來，被廣泛應用于港口碼頭建設中。隨著碼頭建設向大型化、深水化發展，鋼板樁的抗彎強度較低，自身剛度較差的特點逐漸顯現出來。而鋼管樁具有較強的強度，但是無法限制樁間的水土流失。結合鋼板樁和鋼管樁的優缺點，近年來出現了采用鋼板樁和鋼管樁組合形式作為板樁碼頭的結構形式。這種結構形式具備鋼管樁和鋼板樁的優點，又彌補了二者的不足。組合鋼板樁是由鋼管樁和不同的斷面形式的板樁組合而成，主樁長度長而重量重，輔樁長度短而重量輕，主樁和輔樁交替設置。這種組合形式利用鋼管樁剛度強的特點提高整體截面的剛度，使得組合墻的變形量減小，而且管樁和板樁通過一種特殊的鎖扣相連，有很好的密閉性和傳力性，能阻止水土流失和力的傳遞。本文以廣州港一個組合鋼板樁碼頭3#泊位為例，從組合鋼管板樁的結構特點出發，對受力特點、施工難易等方面進行分析，并闡述了組合鋼板樁的防腐蝕措施。

1工程概況

工程位于廣州港某港區，碼頭水工建筑物包括1-2#泊位、挖入式港池3-10#泊位以及8#泊位端部與上游汽車滾裝碼頭之間的銜接段主體結構。碼頭前沿作業地帶頂高程3.5m。碼頭分兩期建設。其中3#泊位，泊位長度179m。結構設計船型為5000DWT件雜貨船。結構設計底高程為-9.7m。9個650KN系船柱，25個DN-A500HX2000L橡膠護舷。工程所在地高程系統采用當地理論最低潮位。極端高水位為2.38m，設計高水位為1.21m。設計低水位為-1.5m，極端低水位為-2.12m。根據勘察單位的地勘報告中勘察鉆孔分析結果可知：自上至下依次為淤泥、淤泥-淤泥質軟土、粉土、粉質粘土、中風化泥巖。

2水工結構設計方案

碼頭前墻采用組合鋼板樁—鋼管樁/AZ系統。系統主樁采用Φ1422鋼管樁（δ=20mm），樁尖高程進入中風化泥巖層;系統輔樁均采用雙拼AZ20-700（δ=10mm）鋼板樁，樁尖高程為-15m，進入粉質粘土層不小于6m。現澆胸墻高4.6m，頂高程為3.5m，寬3.0m。胸墻上設置護輪坎、管溝、系船柱塊體。胸墻分縫處設置二層非織造土工布（400g/m2）。板樁前墻在設計低水位以下設間距2m的排水孔，排水孔后設混合倒濾體。拉桿采用強度級別為GLG550的鋼拉桿，直徑Φ85mm，間距2500mm。錨碇結構采用現澆鋼筋混凝土錨碇墻，墻高4.5m，墻厚800mm，錨碇墻前回填10～100kg塊石、胸墻及錨碇墻后回填中粗砂（?≥32°、含泥量<5%，振沖密實，標貫擊數N≥15）。碼頭面布置10.5m軌距門機軌道，鋼軌型號為QU80，海側軌距碼頭前沿線2.5m，坐落在現澆混凝土胸墻上。后軌道梁基礎與2#端部臨近段采用?700鋼管樁，樁距5.0m，其余段陸上沉樁采用?600PHC樁，樁距4.0m，樁尖進入中風化泥巖層。

3組合鋼管板樁的特點及受力分析

3.1鋼管板樁的特點

組合鋼板樁分為HZ/AZ組合鋼板樁、鋼管板樁、箱型組合樁3種形式。組合鋼板樁由主樁和輔樁組成，主樁是主要受力構件，可以作為基礎構件，承受主體的豎向荷載，主樁的抗彎能力強。輔樁一般較短，承受的彎矩一般較小，對抗彎性能的要求比較低。主樁、輔樁一般用鎖口相連，通過鎖口將輔樁上的荷載傳遞給主樁。鋼管板樁的抗彎性能良好，豎向承載能力較強，可以承受水平和豎向荷載，鎖口的數量少。鋼管板樁在施工過程中需要大型鋼管樁打樁設備，一般在水上施工。適用荷載較大的情況，如軌道下岸壁結構等。

目前，鋼板樁碼頭的計算理論有兩種方法：豎向彈性地基梁法和彈性線性法。在進行結構內力分析時，多采用有限元計算方法進行二維、三維的模擬分析。本文采用彈性線法進行碼頭踢腳、錨定穩定性。

3.2碼頭踢腳穩定驗算方法

前墻的入土深度應滿足下式要求：

式中：——結構重要性系數，取1.0;

——永久作用分項系數，持久組合，永久作用下土壓力（1.35）、剩余水壓力（1.05）;短暫組合，永久作用下土壓力（1.35）、剩余水壓力（1.05）;

——永久作用標準值產生的作用效應（KN*m）;

——可變作用分項系數，持久組合可變作用下土壓力（1.35），短暫組合可變作用下土壓力（1.25）;

——主導可變作用效應（KN*m）;

——作用組合系數，取0.7;

——非主導可變作用標準值產生的“踢腳”力矩（KN*m）;

MR—— 板樁墻前被動土壓力的標準值對拉桿錨定點的穩定力矩（KN*m）;

——抗力分項系數，取1.25。

3.3受力分析計算結果

3.3.1踢腳穩定計算結果

通過表1、表2可知，在承載能力極限狀態持久組合和地震組合下，均滿足要求。

3.3.2錨碇穩定計算結果

通過表3可知，在不同組合情況下，錨定穩定的計算結果均滿足要求。

3.3.3結構設計結果

由表4可知，φ85鋼拉桿在承載能力極限狀態下持久組合內力值小于拉桿承載能力值，承載能力極限狀態下地震組合內力值小于欄桿承載能力設計值，拉桿的強度滿足要求。由表5可知，在持久組合和地震組合兩種情況下，承載能力極限狀態的內力設計值均小于板樁強度的設計值。

4組合鋼板樁防腐蝕設計措施

組合鋼板樁要做好防腐蝕措施，主要的防腐蝕措施主要有以下幾種。

4.1涂層的涂刷

涂層的涂刷范圍包括組合鋼板樁迎水面和臨岸側所有外表面。樁頂處涂層的涂刷應伸入胸墻底高程以50～100mm，水位變動區就至設計低水位以下1.5m，水下區應至泥面下1.5m;沉樁困難，預計樁端可能達不到設計高程時，涂刷范圍應適當加大。

4.2涂層設計

鋼板樁涂層在迎水面和背水面涂刷厚度不等的環氧重型防腐涂料，涂刷的道數和厚度見表6所示。組合鋼板樁表面處理等級要求，應噴射除銹達GB8923.2-2008-T中Sa2.5級。

4.3犧牲陽極陰極保護

為滿足20年設計保護年限要求，采用重型防腐涂層與犧牲陽極陰極保護法聯合保護。犧牲陽極陰極保護系統應包括犧牲陽極、監控系統和通電連接部件。組合鋼板樁按結構設計底標高設計陽極塊。犧牲陽極為鋁鋅銦錫鎂合金陽極，化學成分滿足《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極》（GB/T 4948-2002）的要求。陽極塊型號為A□Ⅰ-5，陽極材料為2型，單個陽極塊凈重114kg，毛重120kg。

5結論

從組合鋼板樁受力分析的結果可以看出，鋼管樁-鋼板樁具有較好的整體性，較好的抗彎抗變形能力，鋼管板樁結構的錨定具有較強的穩定性。各性能指標驗算均符合規范要求，結構在最不利的受力條件下安全可靠。因此，鋼管板樁結構較鋼板樁更復雜地質條件的適用性更強。鋼管板樁在設計過程中要做好防腐蝕措施。在復雜地質條件下、能夠保證打樁精度和垂直度的前提下，類似的項目在設計中可優先考慮組合鋼管板樁結構。

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