装配式透空管型夹桩结构在强风浪条件下的应用

张治明，于洋，王超，段蛟，钱克虎（中交第二航务工程局有限公司，湖北　武汉　430012）

装配式透空管型夹桩结构在强风浪条件下的应用

张治明，于洋*，王超，段蛟，钱克虎
（中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉430012）

摘要：以色列阿什杜德港28号码头采用高桩梁板式结构。新建码头处风浪条件恶劣，季风期有效波高达6 m以上，采取一种安全、高效、经济且适用于强风浪作用条件的夹桩结构是保证施工期钢管桩稳定性的关键。经过对多种夹桩结构形式的分析比较，通过设计创新及优化，提出了装配式透空管型夹桩结构，有效解决了现场诸多难题，保证了28号码头工程桩施工期的安全性。

关键词：夹桩结构；装配式；透空管型；结构设计；施工技术

目前，高桩码头一般采用牛腿+型钢或抱箍+型钢两种夹桩结构[1]进行夹桩，但在桩顶标高接近水面的情况下，牛腿结构受波浪影响焊接难度大，工效低；抱箍结构虽有效解决了现场焊接问题，但其具有结构复杂、加工周期长、经济性差等缺点。同时在受强风浪条件作用下，型钢平联难以同时满足水平力和竖向力要求。所以，寻找一种适用于强风浪作用条件且安全、经济、高效的夹桩结构是以色列阿什杜德港28号码头施工期安全防护[2]的关键。

1　工程概况

1.1工程简介

以色列阿什杜德港28号码头位于地中海阿什杜德港，采用高桩梁板式结构，泊位长434 m。基础采用钢管桩，共计624根。平面布置见图1。

1.2自然条件

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）风

50 a一遇风速见表1。

图1　28号码头平面布置图（单位：m）Fig.1　Layout plan of Quay 28（m）

表1　50 a一遇风速统计Table 1　The wind speed statistics for every 50 years

3）波浪

50 a一遇波浪统计见表2。

表2　50 a一遇波浪统计Table 2　The wave statistics for every 50 years

2　方案比选

目前，没有规范可为夹桩结构设计和施工提供指导，导致夹桩形式[3]多样化，但大多采用牛腿+型钢结构和抱箍+型钢结构。所以，仅对牛腿+型钢结构、抱箍+型钢结构及两种新型夹桩结构进行比较。

2.1牛腿+型钢结构

牛腿+型钢结构主要采用焊接在工程桩上的钢牛腿做为支撑点，在上面焊接纵横平联将工程桩连成整体，使其共同抵抗波浪力作用，示意图见图2。其主要优点是可根据现场实际情况调整牛腿及型钢焊接位置，施工灵活，但对于本工程存在以下缺点：

1）工程桩顶标高为+2 m，焊接最低位置标高为+1 m，施工过程中受风浪条件影响严重，施工期短，施工效率低。

2）在恶劣风浪条件下，当波托力或下砸力接近或大于波浪水平力的情况下，型钢弱轴方向难以承受竖向力，将导致夹桩结构变形，以至工程桩失稳。

图2　牛腿+型钢夹桩结构示意图Fig.2　Sketch map of corbel and shape steel and pile-clamping structure

2.2抱箍+型钢结构

抱箍+型钢结构一般采用通过预紧力固定在工程桩上的钢抱箍做为支撑点，在上面焊接纵横梁将钢管桩连成整体，使其共同抵抗波浪力，示意图见图3。相对于牛腿结构，主要解决了现场焊接问题，但抱箍结构相对复杂，加工周期长，经济性相对较差，同时，型钢平联强弱轴受力不同的问题依旧存在。

图3　抱箍+型钢夹桩结构示意图Fig.3　Sketch map of hoop and shape steel and pile-clamping structure

2.3新型抱箍+钢管结构

新型抱箍+钢管结构主要是对平联结构本身以及钢抱箍和平联间的节点连接进行改进（见图4）。将型钢替换成钢管，有效解决了型钢强弱轴受力不同的问题；抱箍与钢管间的连接由焊接改为抱箍预紧连接，有效规避了焊接受风浪影响的问题，加快了施工效率。但在极限工况下，根据计算，有效波高为6 m以上时，需采用准1 020伊10 mm以上直径钢管做为平联，虽然符合受力条件，但如此大直径的钢管，经济性差，施工不便；同时该结构对工程桩施工精度要求高，平联四周同时精准对位难度大。

图4　抱箍+钢管夹桩结构示意图Fig.4　Sketch map of hoop and pipe and pile-clampingstructure

2.4装配式透空管型结构

装配式透空管型结构是指在工程桩上增加立杆，将平联抬高。其中立杆采用透空管型结构，平联采用钢管结构，与立杆连接处采用方钢过渡，其结构见图5、图6。立杆与工程桩、平联与立杆之间均采用螺栓连接，其所有构件均可在后场加工成型，现场安装。该结构的主要特点在于，透空式管型立杆可有效削减波浪水平力的作用；抬高后的钢管平联可有效规避波浪力水平、竖向力的作用，各装配构件间采用螺栓连接有效解决了现场焊接难度大的问题，具有安全可靠、施工便捷、经济适用等优点。

图5　装配式透空管型夹桩结构平面图Fig.5　Floor plan of prefabricated vacant-pipe type pile-clamping structure

图6　装配式透空管型夹桩结构断面图Fig.6　Cross section of prefabricated vacant-pipe type pile-clamping structure

2.5施工方案选择

从以上4种方案分析，结合本项目特点，装配式透空管型夹桩结构具有明显的优越性，不但有效降低了夹桩结构自身受波浪力的影响，而且减小了材料型号，既保证了安全，又节约了施工成本，同时所有装配式结构均采用工厂加工，现场螺栓连接，大大提高了施工工效。尽管其结构具有加工精度要求高的施工难点，但是通过工厂精加工是完全可以解决的。因此，以色列阿什杜德港项目施工码头采用了装配式透空管型结构做为28号码头的夹桩结构。

3　结构设计

3.1结构形式

装配式透空管型夹桩结构主要由立杆和平联组成。结构布置见图5、图6。

1）立杆：主要用于将平联顶标高抬高，有效减小波浪力对平联的作用，采用3根准159伊8 mm钢管组合而成，通过准76伊6 mm钢管连接成整体。其下部通过肋板与工程桩栓接，上部通过顶板与平联连接。

图8所示为连接本文所提电路的压电片两个输出端之间的压差波形。图9所示为同步开关控制信号(上)与压电片一端电压的波形(下)对应图。在压电片输出一端的上升沿和下降沿开关控制信号都会产生一个瞬间的低电平,并且紧紧跟随。实验中开关是用两个背靠背的PMOS管实现,当控制信号为低电平时,开关闭合,L-C谐振开始。一旦L-C谐振结束,电感中无电流,同步开关马上断开。本文提出的电路中整个L-C谐振过程开关的通断时间由检测电路得到,可根据电路参数进行自适应。

2）平联：主要用于将所有工程桩连成整体，使其共同抵抗波浪力的作用，采用准325伊10 mm钢管，与竖杆连接部位采用30 mm伊30 mm方钢过渡。

3.2结构受力计算

为保证精确计算，采用手算[4-5]和电算相结合的方式进行结构受力计算，电算采用MIDAS有限元软件计算。

1）计算工况

工况一：沉箱前部已完成抛石，28-A～28-D钢管桩形成夹桩平台。波高Hs=6.2 m，周期T= 12.4 s，流速V=1 m/s。

工况二：沉箱前部完全未抛石，28-A～28-G钢管桩形成夹桩平台，波高Hs=6.2 m，周期T= 12.4 s，流速V=1 m/s。

工况三：沉箱前部完全未抛石，28-A～28-G钢管桩形成夹桩平台并考虑2 000 t驳船系缆靠泊。波高Hs=1.0 m，周期T=7.9 s，流速V=1 m/s。

2）计算结果

4　施工关键技术

4.1装配式构件精加工

装配式构件加工主要包括立杆加工、平联加工及工程桩桩顶连接板加工，为了保证加工精度，立杆连接板及工程桩连接板均需采用三脚架精定位后进行焊接，加工精度需控制在依1 mm。

4.2现场安装

现场采用吊车配合人工安装，为了保证安装准确，需将各构件提前编号。安装过程中需保证各构件连接牢靠。

4.3夹桩结构拆除及上部结构施工

上部结构施工前，需拆除夹桩结构。由于设计时对工程桩桩顶预留30 cm进行后续切割，所以夹桩结构采取分片切割，分组吊装的拆除方式，即每两排为一组，整体切割，整体吊装。切割过程中需要注意，采用冷切割和控制标高应符合设计要求。

夹桩结构拆除2组后，开始上部结构施工，包括桩帽、横梁及面板施工等。为保证工程桩安全，需形成流水作业，边拆除、边施工。

5　结语

以色列阿什杜德港28号码头通过采用装配式透空管型夹桩结构对工程桩进行夹桩，有效解决了现场诸多难题，保证了工程桩施工期的安全性。

通过对传统夹桩结构分析到新型夹桩结构设计再到现场施工技术研究，笔者对该夹桩结构有以下几点体会：

1）装配式透空管型夹桩结构作为一种新型夹桩结构，相对于传统夹桩结构，其主要特点是既有效规避了强风浪条件下波浪力的作用，又解决了现场焊接难度大的技术难题，同时具有安全可靠、施工便捷、经济适用等优点。其结构形式在强风浪条件下具有较大应用价值。

2）装配式透空管型夹桩结构在加工及安装过程中均对精度要求较高，但通过有效的技术措施是完全可以解决的。

3）技术创新是施工技术进步的核心力，通过对传统施工工艺的研究以及对所面对的施工难题的分析，实现了新型夹桩结构的应用。

参考文献：

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

[2]刘日杰.高桩码头夹桩与单桩度汛的处理措施[J].中国水运（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]刘梅梅，程博.高桩码头夹桩施工形式优化[J].水运工程，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，钢结构设计规范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structure[S].

[5]JTS 145-2—2013，海港水文规范[S]. JTS 145-2—2013,Code for sea port hydrology[S].

E-mail：26975055@qq.com

中图分类号：U656.113

文献标志码：A

文章编号：2095-7874（2016）01-0028-04

doi：10.7640/zggwjs201601007

收稿日期：2015-08-03修回日期：2015-10-27

作者简介：张治明（1973—），男，湖北武汉市人，高级工程师，港口及航道工程专业，从事路桥施工管理及港口码头施工管理工作。

*通讯作者：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忆construction of Quay 28.

Key words：pile-clamping structure;prefabricated;vacant-pipe type;structure design;construction technique