裝配式夾樁平臺在遠海測風塔中的應用

張 祥

（中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519000）

1 工程概況

1.1 測風塔基本情況

長樂A區(qū)（原B區(qū)）場址測風塔位于福州市長樂市東南方外海海域，塔高100 m，測風塔采用鋼管樁基礎和導管架結構，測風塔基礎立面圖如圖1所示，測風塔基礎平面圖如圖2所示。樁基礎為4樁結構，鋼管樁直徑為2 m，長度為101 m，上部6 m范圍的壁厚為36 mm，下部95 m范圍的壁厚為27 mm，單根樁總重量約為155 t（含樁內(nèi)十字形加強勁板），鋼管樁斜度為10∶1，鋼管樁內(nèi)部灌注C35微膨脹混凝土。海區(qū)水深約50 m，樁頂高出海平面約5 m，測風塔位置處泥面高程-50.8 m，管樁入泥深度約70 m。

1.2 設計水位

極端高水位▽+4.56 m；設計高水位▽+3.20 m

極端低水位▽-3.77 m；設計低水位▽-2.52 m

1.3 海洋水文

（1）風況

工程海域平均風速4.5 m/s，最大值出現(xiàn)在11月，為5.4 m/s；最小值出現(xiàn)在5月，為3.7 m/s。月平均風速以秋季（10～11月）最大，冬季（12～2月）次之。歷年最大風速29 m/s，相應風向S；累年極大風速32.7 m/s。常年盛行風向為NNE、NE。年平均大風日數(shù)62 d。

圖1 長樂A區(qū)測風塔基礎立面圖

圖2 長樂A區(qū)測風塔基礎平面圖

（2）波浪

工程海域全年以風浪和涌浪并存的混合浪為主，年頻率達86%，其中以涌浪為主的波型占63%，以風浪為主的波型占6%；單一風浪年頻率占13%；單一涌浪年頻率不足1%。秋、冬、春三季以涌浪為主，夏季以單一風浪為主。常浪向為ESE，頻率58%，次常浪向為ESE，頻率13.5%；強浪向為NNE～NE，平均波高1.4～1.5 m，最大波高9.1 m，次強浪向為ESE，平均波高1.2 m，最大波高16.0 m（由1976年8月9～10日臺風影響所致）；3級及以下的波浪約占93.2%。累年平均波高1.1 m，各月平均波高在0.8～1.3 m之間；累年平均周期為5.2s，各月平均周期在4.5～5.6 s之間[1]。

長樂A區(qū)水深約50 m，風大浪大，氣象水文條件惡劣，能夠供施工的窗口期較短，測風塔基礎鋼管樁施工完后需要進行夾樁，穩(wěn)定鋼管樁結構。

2 夾樁方法比較

2.1 常規(guī)夾樁

近岸高樁碼頭一般采用牛腿+型鋼、抱箍+型鋼或鋼管平聯(lián)等其他類似的模式進行夾樁[2]。在樁頂標高接近水面的區(qū)域，牛腿結構易受波浪的影響，在此位置有效的作業(yè)時間短，同時焊接工作量比較大，焊接施工進度難以滿足實際工程進度要求；抱箍結構雖然有效解決現(xiàn)場焊接難題，但其制作周期長，且在接近水面的施工壞境下安裝及拆卸困難，抱箍的位置也影響下部橫撐及斜撐的焊接[3]，對施工造成比較大的干擾；管樁平聯(lián)的夾樁方法焊接量大，并且需要對相鄰的兩根鋼管樁同時焊接，經(jīng)計算單樁在波浪流分布荷載作用下，樁頂水平位移為905 mm，管樁頂部搖晃使得無法同步焊接，先焊接一端另一端會由于管樁的搖晃不斷脫焊（見圖3）[4]。

圖3 鋼管平聯(lián)無法實現(xiàn)

這三種方法在使用時還需要特別注意在強風浪條件下，對夾樁型鋼的剛度要求極高，型鋼的設計不能過于單薄，否則極易發(fā)生結構變形。需要特別注意的是4根管樁由于長時間不能形成整體受力結構，會導致單樁基礎在長時間內(nèi)形成長懸臂結構，在海浪往復作用下，斜樁易造成管樁傾覆[5]。

2.2 裝配式夾樁平臺

夾樁平臺結構采用HN400×200型鋼焊接而成，夾樁平臺自帶掛腿，可將夾樁平臺掛在鋼管樁上，每個樁位均布置8套頂推裝置，依靠8只10 t螺旋千斤頂調整及限制樁位，4根鋼管樁頂桿頂緊焊接限位板固定后，在每根鋼管樁上焊接牛腿，增加夾樁平臺承載力。裝配式夾樁平臺的制作均采用工廠加工，型鋼桁架式結構可以有效削減波浪水平力及豎直力的作用[6]。夾樁平臺平面圖如圖4所示，夾樁平臺立面圖如圖5所示。

圖4 夾樁平臺平面圖

圖5 夾樁平臺立面圖

裝配式夾樁平臺在現(xiàn)場風浪允許的條件下直接吊裝安裝，依靠夾樁裝置規(guī)避焊接量大難題的同時，鏤空桁架結構也不影響下部水平撐及斜撐的焊接，并可以為后續(xù)施工提供安全、可靠的作業(yè)平臺[7-8]。

3 夾樁平臺荷載工況分析及計算結果

3.1 計算工況

夾樁平臺主要分2個工況，工況一是窗口期進行施工作業(yè)工況，工況二是非窗口期夾樁工況[9]。

工況一荷載標準組合:結構自重+澆筑混凝土荷載+施工荷載+風荷載（窗口期）+水流力+波浪力（窗口期）。

工況一荷載基本組合:0.9×（1.2×結構自重+1.2×澆筑混凝土荷載+1.4×施工荷載+1.4×風荷載（窗口期）+1.5×水流力+1.5×波浪力（窗口期））。

工況二荷載標準組合:結構自重+澆筑混凝土荷載+風荷載（非窗口期）+水流力+波浪力（非窗口期）。

工況二荷載基本組合:0.9×（1.2×結構自重+1.2×澆筑混凝土荷載+1.4×風荷載（非窗口期）+1.5×水流力+1.5×波浪力（非窗口期））。

經(jīng)過荷載對比，夾樁平臺主要受工況二控制，主要以工況二情況進行計算。

圖6 夾樁平臺 整體計算模型

3.2 計算模型

采用有限元分析軟件計算，各構件均采用梁單元。鋼管樁在嵌固點標高固接，夾樁平臺與鋼管樁約束處鉸接[10]。

整體計算模型如圖6所示。

3.3 計算結果

經(jīng)計算夾樁平臺最大變形值387 mm，鋼管樁（Q345）最大應力277 MPa＜f＝290 MPa，夾樁平臺（Q345）最大應力202 MPa＜f＝290 MPa，鋼管樁及夾樁平臺強度滿足要求。

4 裝配式夾樁平臺應用

在4根鋼管樁沉樁完成后，將多功能作業(yè)船定位于鋼管樁附近上風口，使用打樁船進行吊裝，吊裝采用雙鉤聯(lián)吊，等效臂架78 m，樁架仰角18.5°，單鉤起重125 t，兩個吊鉤通過四根φ80鋼絲繩采用35 t卡環(huán)分別扣住預先設置在夾樁平臺掛腿上的吊耳，吊裝時讓鋼絲繩與基礎頂面成60°，同時通過打樁船前部的兩個導纜柱的兩根纜風繩將平臺其中面向打樁船的兩個腳進行固定，以確保導管架平臺起吊過程中不在空中晃動和旋轉。

起吊后將夾樁平臺慢慢吊至樁頂上方50～60 cm高度后慢慢下放，直至夾樁平臺掛腿安放于4根鋼管樁頂部。

夾樁平臺安裝后（見圖7），每根鋼管樁安排2名工人使用千斤頂調節(jié)夾樁裝置以及1名技術人員現(xiàn)場測量管樁相對位置，使得每根鋼管樁與夾樁平臺支架16點頂緊，鋼管樁間相對距離滿足設計要求，頂緊后在每根鋼管樁樁頂部安裝3個10 t手拉葫蘆成60°，同時在夾樁平臺下部焊接牛腿[11]。因為夾樁平臺掛腿對鋼管樁平面調平及導管架安裝均有妨礙，要進行割除，割除后會破壞夾樁平臺受力，因此在掛腿割除前必須焊接牛腿（見圖8），作為夾樁平臺新的受力支承[12]。

圖7 夾樁平臺安裝

圖8 夾樁裝置限位

牛腿焊接完畢并驗收合格后進行夾樁平臺掛腿和鋼管樁樁頭的切割。隨后進入下一道施工工序。

5 結束語

裝配式夾樁平臺作為一種新型的夾樁結構，與傳統(tǒng)夾樁結構相比，主要特點是既有效規(guī)避了強風浪條件下波浪力的作用，為樁基的穩(wěn)定提供保障，又解決了有效作業(yè)時間短的情況下焊接量大的難題，有效提高夾樁效率，且鏤空桁架結構不會阻礙后續(xù)施工，并可為后續(xù)施工提供安全可靠、便捷實用的作業(yè)平臺。