宮云增，孔令臣

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461）

0 引言

碼頭樁基是將上部荷載向持力層傳遞的重要結(jié)構(gòu)，而鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)連接主要依靠樁芯混凝土，樁與樁芯混凝土連接的細(xì)部設(shè)計(jì)是保證樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全的關(guān)鍵，因此，充分利用國(guó)內(nèi)外規(guī)范尋找切實(shí)可行的計(jì)算方法并能保證施工的連接方式是樁基設(shè)計(jì)不可避免的重要步驟。國(guó)外樁芯混凝土設(shè)計(jì)理論成型較早，之前國(guó)內(nèi)計(jì)算理論主要借鑒國(guó)外規(guī)范[1]，目前，國(guó)內(nèi)已有明確的設(shè)計(jì)規(guī)范，而在對(duì)比分析方面，國(guó)內(nèi)的研究尚屬空白。本文結(jié)合孟加拉馬塔巴里超臨界燃煤電廠配套碼頭項(xiàng)目樁芯混凝土施工，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)下樁芯混凝土的計(jì)算、樁芯混凝土的連接構(gòu)造方式，對(duì)于今后設(shè)計(jì)參考價(jià)值較大。

1 工程概況

孟加拉馬塔巴里超臨界燃煤電廠配套碼頭項(xiàng)目[2-3]，包含油品兼重件碼頭和煤碼頭各1座，碼頭結(jié)構(gòu)為高樁梁板結(jié)構(gòu)，碼頭頂面標(biāo)高為+5.0 m?；鶚恫捎肧KK490鋼管樁，直徑914 mm，壁厚16 mm。

2 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)下樁芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 國(guó)標(biāo)中樁芯混凝土與鋼管樁的連接形式

根據(jù)JTS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第4.4.10條規(guī)定，樁頂錨固形式，有經(jīng)驗(yàn)時(shí)，也可采用樁頂部設(shè)置樁芯混凝土的連接方式，樁芯混凝土的長(zhǎng)度、配筋應(yīng)滿(mǎn)足受力要求。但沒(méi)有明確具體的計(jì)算理論，故本文國(guó)標(biāo)中樁芯混凝土的計(jì)算主要依據(jù)CECS 28：2012《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]。

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]可知以下內(nèi)容。

2.1.1 鋼管與管內(nèi)混凝土界面的剪力傳遞設(shè)計(jì)

1）鋼梁與鋼管混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)的鋼管與管內(nèi)混凝土界面的剪力傳遞應(yīng)滿(mǎn)足：

2）當(dāng)不能滿(mǎn)足式（1）、式（2）要求時(shí)，應(yīng)在剪力傳遞區(qū)內(nèi)的鋼管內(nèi)設(shè)置抗剪連接件，并應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：Vb為鋼管與管內(nèi)混凝土界面?zhèn)鬟f的剪力，可取梁端剪力設(shè)計(jì)值；Vu1為鋼管與管內(nèi)混凝土界面剪力傳遞區(qū)的黏結(jié)受剪承載力；Nu1為管內(nèi)抗剪連接件部位混凝土的局部承壓承載力；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

3）鋼管與管內(nèi)混凝土界面剪力傳遞區(qū)的長(zhǎng)度可取為鋼管直徑的2倍即2D（頂層可取D），模型見(jiàn)圖1。剪力傳遞區(qū)的黏結(jié)受剪承載力可按式（5）計(jì)算（頂層可取式（5）計(jì)算值的1/2）：

圖1 界面剪力傳遞區(qū)Fig.1 Interfacial shear transfer region

式中：D為鋼管樁直徑；τ0為鋼管與管內(nèi)混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度，可按照表1取值。

表1 鋼管與管內(nèi)混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度Table 1 Bonding strength between steel tube and concrete in pipe

4）鋼管混凝土柱在其組合界面附近受壓時(shí)受力效果圖如圖2，圖2中（b）和（c）為設(shè)置的兩種混凝土樁芯剪力鍵結(jié)構(gòu)形式，圖2（b）為連續(xù)剪力鍵結(jié)構(gòu)，圖2（c）為非連續(xù)剪力鍵結(jié)構(gòu)，兩種斷面形式計(jì)算原理相同，局部受壓承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)按式（6）計(jì)算：

式中：N0為局部受壓段的鋼管混凝土短柱軸心受壓承載力設(shè)計(jì)值；A1為剪力鍵局部受壓面積；AC為鋼管內(nèi)核心混凝土的橫截面面積；NC為非局部作用的軸向壓力設(shè)計(jì)值；ω為考慮局部受壓應(yīng)力分布狀況的系數(shù)，當(dāng)局部受壓應(yīng)力為均勻分布時(shí)，取ω=1；當(dāng)局部受壓應(yīng)力通過(guò)與鋼管內(nèi)壁焊接的柔性抗剪連接件作用于混凝土?xí)r，取ω=0.75。

當(dāng)局部受壓承載力不足時(shí)，應(yīng)該將局部受壓區(qū)段（等于鋼管直徑的1.5倍）的管壁加厚，予以補(bǔ)強(qiáng)。

2.1.2 構(gòu)造要求

抗剪環(huán)可采用通過(guò)雙面角焊縫焊接于鋼管壁外表面的閉合鋼筋環(huán)或閉合帶鋼環(huán)，焊接效果如圖3。鋼筋直徑d不應(yīng)小于20 mm；帶鋼厚度b不應(yīng)小于20 mm，帶鋼高度h不應(yīng)小于其厚度。每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)的抗剪環(huán)不應(yīng)少于2道。設(shè)置2道抗剪環(huán)時(shí)，一道可在距框架梁底50 mm的位置且宜盡可能接近框架梁底，另一道可在距框架梁底1/2梁高的位置。

圖3 抗剪環(huán)構(gòu)造示意圖Fig.3 Shear ring structure diagram

2.2 美標(biāo)中樁芯混凝土與鋼管樁的連接形式

2.2.1 連接形式

根據(jù)API-RP-2A-LRFD—1993《海上固定平臺(tái)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)——荷載設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]第7.4條規(guī)定，僅受軸向力作用的樁與上部結(jié)構(gòu)的連接有2種方式（荷載與抗力系數(shù)法設(shè)計(jì)）：

1）素混凝土連接：鋼管樁與樁芯混凝土之間額定容許荷載傳遞應(yīng)力規(guī)定如下：fba=0.248 MPa。

2）剪力鍵連接（圖4）：鋼管樁與樁芯混凝土之間的額定容許荷載傳遞應(yīng)力按式（7）計(jì)算：

圖4 剪力鍵布置圖Fig.4 Shear key layout

式中：fcu為混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；h為剪力鍵的突起高度；s為剪力鍵的布置間距。

2.2.2構(gòu)造要求

構(gòu)件尺寸的適用條件：

樁芯混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度：

2.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比對(duì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)范采用日標(biāo)、美標(biāo)。樁基采用SKK490鋼管樁，直徑為914.4 mm，壁厚16 mm，樁頂深入混凝土0.1 m，樁芯混凝土長(zhǎng)度為2 m，設(shè)置2組剪力鍵。地震工況樁頂內(nèi)最大拔樁力設(shè)計(jì)值為：P=2 901 kN，正常工況樁頂內(nèi)最大拔樁力設(shè)計(jì)值為：P=2 250 kN。國(guó)標(biāo)與美標(biāo)下樁芯混凝土與鋼管樁黏結(jié)力對(duì)比見(jiàn)表2，不同工況下樁芯混凝土長(zhǎng)度計(jì)算值見(jiàn)表3。

表2 樁芯混凝土與鋼管樁黏結(jié)力對(duì)比Table 2 Comparison of cohesion between pile core concrete and steel tubular pile

表3 樁芯混凝土長(zhǎng)度計(jì)算Table 3 Pile core concrete length calculation

3 樁芯混凝土施工

3.1 施工工序

自下而上施工工序主要為：沉樁→澆筑樁芯混凝土→樁帽預(yù)制安裝或現(xiàn)澆→縱橫梁（U形槽）預(yù)制安裝→U形槽內(nèi)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆→靠船構(gòu)件預(yù)制安裝→碼頭面板預(yù)制安裝→面板接縫現(xiàn)澆→碼頭面層現(xiàn)澆附屬構(gòu)件安裝施工[7-8]。

樁芯混凝土采用水上方駁吊機(jī)組+吊罐澆筑混凝土的工藝施工。

3.2 樁頭割除

施工前測(cè)量人員采用水準(zhǔn)儀在每根需要割除的樁身進(jìn)行標(biāo)高放線(xiàn)，并采用紅色油漆做標(biāo)識(shí)。

施工人員乘坐快艇拖帶施工浮筏移至需要切割的鋼管樁樁位，并將管樁卡入浮筏凹槽內(nèi)固定浮筏，形成施工作業(yè)平臺(tái)。浮筏上焊接腳手架進(jìn)行接高，退潮時(shí)水位與截樁標(biāo)高高差較大，在浮筏上滿(mǎn)鋪踢腳板進(jìn)行架高。現(xiàn)場(chǎng)采用離心泵將鋼管樁內(nèi)水抽至割除部位以下，按照紅色油漆標(biāo)記進(jìn)行切割施工。切割完成后，采用氣割在距鋼管樁頂10 cm以下切割直徑2 cm的圓孔，采用50 t方駁吊機(jī)將樁頭吊除，吊放至1 000 t方駁上，由拖輪拖運(yùn)方駁至臨時(shí)碼頭，倒運(yùn)至陸域存放。

3.3 吊放樁芯鋼筋籠

鋼筋籠在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)的鋼筋加工場(chǎng)制作，鋼筋籠采用加勁筋成型法制作，加勁筋通過(guò)胎具嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸制作，在上面標(biāo)記出各主筋的位置，在水平工作臺(tái)上按設(shè)計(jì)要求放置并點(diǎn)焊連接主筋，直至完成鋼筋籠的制作。

鋼筋籠底托采用10 mm厚鋼板制作，鋼板通過(guò)L形鋼筋與鋼筋籠主筋焊接，焊接方式采用雙面焊，焊縫長(zhǎng)度為15 cm，選用的鋼筋型號(hào)為25 mm圓鋼，共設(shè)置4處連接點(diǎn)。

在鋼筋籠上端對(duì)稱(chēng)設(shè)置2個(gè)掛鉤，掛鉤采用直徑25 mm圓鋼，掛鉤與主筋進(jìn)行單面焊接連接，焊縫長(zhǎng)度不小于25 cm，與掛鉤焊接的主筋需與固定鋼板L形鋼筋焊接的主筋一致。

鋼筋籠加工完成后通過(guò)板車(chē)運(yùn)輸至臨時(shí)碼頭，100 t履帶吊將鋼筋籠吊放至1 000 t方駁上運(yùn)輸至施工部位，作業(yè)人員乘坐交通船配合50 t方駁吊機(jī)組進(jìn)行鋼筋籠吊放施工。

3.4 樁芯混凝土澆筑

3.4.1 現(xiàn)澆樁帽樁芯混凝土澆筑

混凝土澆筑前，采用離心泵抽除樁內(nèi)積水至樁芯混凝土底標(biāo)高以下?；炷敛捎玫豕捱M(jìn)行澆筑。樁芯混凝土高度約3 m，為防止混凝土自由傾落高度大于2 m而發(fā)生離析現(xiàn)象，混凝土澆筑前在鋼管樁上部設(shè)置長(zhǎng)2 m的串筒，串筒通過(guò)掛鉤掛在鋼管樁頂部。混凝土陸上運(yùn)輸至臨時(shí)碼頭，由100 t履帶吊將吊罐吊放至1 000 t方駁上，采用方駁將混凝土運(yùn)輸至混凝土澆筑部位，采用50 t方駁吊機(jī)組進(jìn)行混凝土澆筑施工。

3.4.2 預(yù)制安裝樁帽樁芯混凝土澆筑

預(yù)制樁帽樁芯混凝土需等待樁帽安裝完成后，樁芯與樁帽預(yù)留安裝孔同時(shí)澆筑。

至此，樁芯混凝土澆筑完成。

3.5 不同標(biāo)準(zhǔn)下樁芯混凝土施工異同點(diǎn)

1）不同標(biāo)準(zhǔn)下樁頭切割、鋼筋籠制作吊裝工藝相同，施工所需設(shè)備幾乎相同；

2）采用美標(biāo)時(shí)樁芯混凝土長(zhǎng)度較長(zhǎng)，混凝土澆筑需采取措施防止離析，且混凝土用量大，趕潮施工時(shí)對(duì)于時(shí)間控制要求高，且長(zhǎng)時(shí)間水上作業(yè)對(duì)于安全要求高；國(guó)標(biāo)在此方面優(yōu)勢(shì)較大；

3）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用了美、日標(biāo)，因此，采取了能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的施工設(shè)備及措施，最終現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果良好，但相較于國(guó)標(biāo)的投入增大。

4 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)于素混凝土的連接方式，國(guó)標(biāo)的樁芯混凝土與鋼管樁的黏結(jié)力比美標(biāo)高，但國(guó)標(biāo)對(duì)鋼管與管內(nèi)混凝土界面剪力傳遞區(qū)的長(zhǎng)度進(jìn)行了限定（可取2D），美標(biāo)對(duì)此無(wú)限定。

2）對(duì)于剪力鍵的連接方式，國(guó)標(biāo)樁芯混凝土的計(jì)算與剪力鍵的局部受壓面積相關(guān)，美標(biāo)則與剪力鍵的突出高度和布置間距相關(guān)。

3）美標(biāo)API規(guī)范中，適當(dāng)設(shè)置剪力鍵會(huì)顯著提高樁芯與混凝土之間的黏結(jié)力，對(duì)剪力鍵的布置個(gè)數(shù)沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明，且該計(jì)算主要針對(duì)海洋平臺(tái)鋼套筒結(jié)構(gòu)形式，剪力鍵布置在鋼管樁與鋼套筒環(huán)形空間內(nèi)。對(duì)于高樁碼頭鋼管樁有剪力鍵的樁芯混凝土計(jì)算，需謹(jǐn)慎考慮。