張治明，于洋，王超，段蛟，錢(qián)克虎（中交第二航務(wù)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(qiáng)風(fēng)浪條件下的應(yīng)用

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

摘要：以色列阿什杜德港28號(hào)碼頭采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。新建碼頭處風(fēng)浪條件惡劣，季風(fēng)期有效波高達(dá)6 m以上，采取一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)且適用于強(qiáng)風(fēng)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(guò)對(duì)多種夾樁結(jié)構(gòu)形式的分析比較，通過(guò)設(shè)計(jì)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(chǎng)諸多難題，保證了28號(hào)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(jì)；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(jìn)行夾樁，但在樁頂標(biāo)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(chǎng)焊接問(wèn)題，但其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性差等缺點(diǎn)。同時(shí)在受強(qiáng)風(fēng)浪條件作用下，型鋼平聯(lián)難以同時(shí)滿足水平力和豎向力要求。所以，尋找一種適用于強(qiáng)風(fēng)浪作用條件且安全、經(jīng)濟(jì)、高效的夾樁結(jié)構(gòu)是以色列阿什杜德港28號(hào)碼頭施工期安全防護(hù)[2]的關(guān)鍵。

1　工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

以色列阿什杜德港28號(hào)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(zhǎng)434 m?；A(chǔ)采用鋼管樁，共計(jì)624根。平面布置見(jiàn)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(fēng)

50 a一遇風(fēng)速見(jiàn)表1。

圖1　28號(hào)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(fēng)速統(tǒng)計(jì)Table 1　The wind speed statistics for every 50 years

3）波浪

50 a一遇波浪統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

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

2　方案比選

目前，沒(méi)有規(guī)范可為夾樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)，導(dǎo)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(duì)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(jìn)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(diǎn)，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(jiàn)圖2。其主要優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整牛腿及型鋼焊接位置，施工靈活，但對(duì)于本工程存在以下缺點(diǎn)：

1）工程樁頂標(biāo)高為+2 m，焊接最低位置標(biāo)高為+1 m，施工過(guò)程中受風(fēng)浪條件影響嚴(yán)重，施工期短，施工效率低。

2）在惡劣風(fēng)浪條件下，當(dāng)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(dǎo)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(guò)預(yù)緊力固定在工程樁上的鋼抱箍做為支撐點(diǎn)，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(jiàn)圖3。相對(duì)于牛腿結(jié)構(gòu)，主要解決了現(xiàn)場(chǎng)焊接問(wèn)題，但抱箍結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，加工周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差，同時(shí)，型鋼平聯(lián)強(qiáng)弱軸受力不同的問(wèn)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(duì)平聯(lián)結(jié)構(gòu)本身以及鋼抱箍和平聯(lián)間的節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行改進(jìn)（見(jiàn)圖4）。將型鋼替換成鋼管，有效解決了型鋼強(qiáng)弱軸受力不同的問(wèn)題；抱箍與鋼管間的連接由焊接改為抱箍預(yù)緊連接，有效規(guī)避了焊接受風(fēng)浪影響的問(wèn)題，加快了施工效率。但在極限工況下，根據(jù)計(jì)算，有效波高為6 m以上時(shí)，需采用準(zhǔn)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(jì)性差，施工不便；同時(shí)該結(jié)構(gòu)對(duì)工程樁施工精度要求高，平聯(lián)四周同時(shí)精準(zhǔn)對(duì)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(guò)渡，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(chǎng)加工成型，現(xiàn)場(chǎng)安裝。該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)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(chǎng)焊接難度大的問(wèn)題，具有安全可靠、施工便捷、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)。

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(xiàng)目特點(diǎn)，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(hào)，既保證了安全，又節(jié)約了施工成本，同時(shí)所有裝配式結(jié)構(gòu)均采用工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，但是通過(guò)工廠精加工是完全可以解決的。因此，以色列阿什杜德港項(xiàng)目施工碼頭采用了裝配式透空管型結(jié)構(gòu)做為28號(hào)碼頭的夾樁結(jié)構(gòu)。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jiàn)圖5、圖6。

1）立桿：主要用于將平聯(lián)頂標(biāo)高抬高，有效減小波浪力對(duì)平聯(lián)的作用，采用3根準(zhǔn)159伊8 mm鋼管組合而成，通過(guò)準(zhǔn)76伊6 mm鋼管連接成整體。其下部通過(guò)肋板與工程樁栓接，上部通過(guò)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(gè)輸出端之間的壓差波形。圖9所示為同步開(kāi)關(guān)控制信號(hào)(上)與壓電片一端電壓的波形(下)對(duì)應(yīng)圖。在壓電片輸出一端的上升沿和下降沿開(kāi)關(guān)控制信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬間的低電平,并且緊緊跟隨。實(shí)驗(yàn)中開(kāi)關(guān)是用兩個(gè)背靠背的PMOS管實(shí)現(xiàn),當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí),開(kāi)關(guān)閉合,L-C諧振開(kāi)始。一旦L-C諧振結(jié)束,電感中無(wú)電流,同步開(kāi)關(guān)馬上斷開(kāi)。本文提出的電路中整個(gè)L-C諧振過(guò)程開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間由檢測(cè)電路得到,可根據(jù)電路參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)。

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(zhǔn)325伊10 mm鋼管，與豎桿連接部位采用30 mm伊30 mm方鋼過(guò)渡。

3.2結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

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

1）計(jì)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(tái)。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(tái)，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(tái)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(jì)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(jìn)行焊接，加工精度需控制在依1 mm。

4.2現(xiàn)場(chǎng)安裝

現(xiàn)場(chǎng)采用吊車(chē)配合人工安裝，為了保證安裝準(zhǔn)確，需將各構(gòu)件提前編號(hào)。安裝過(guò)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(jì)時(shí)對(duì)工程樁樁頂預(yù)留30 cm進(jìn)行后續(xù)切割，所以?shī)A樁結(jié)構(gòu)采取分片切割，分組吊裝的拆除方式，即每?jī)膳艦橐唤M，整體切割，整體吊裝。切割過(guò)程中需要注意，采用冷切割和控制標(biāo)高應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

夾樁結(jié)構(gòu)拆除2組后，開(kāi)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(yǔ)

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

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)夾樁結(jié)構(gòu)分析到新型夾樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再到現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)研究，筆者對(duì)該夾樁結(jié)構(gòu)有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

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(duì)于傳統(tǒng)夾樁結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是既有效規(guī)避了強(qiáng)風(fēng)浪條件下波浪力的作用，又解決了現(xiàn)場(chǎng)焊接難度大的技術(shù)難題，同時(shí)具有安全可靠、施工便捷、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)形式在強(qiáng)風(fēng)浪條件下具有較大應(yīng)用價(jià)值。

2）裝配式透空管型夾樁結(jié)構(gòu)在加工及安裝過(guò)程中均對(duì)精度要求較高，但通過(guò)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(jìn)步的核心力，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)施工工藝的研究以及對(duì)所面對(duì)的施工難題的分析，實(shí)現(xiàn)了新型夾樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉忠友.夾樁模式分析[J].交通工程建設(shè)，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(guó)水運(yùn)（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(yōu)化[J].水運(yùn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structure[S].

[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(lèi)號(hào)：U656.113

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(jiǎn)介：張治明（1973—），男，湖北武漢市人，高級(jí)工程師，港口及航道工程專(zhuān)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