關(guān)于海港碼頭鋼管樁樁頂與上部結(jié)構(gòu)連接方式

鄧振洲，黃 勝

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

引 言

根據(jù)現(xiàn)行《港口工程樁基規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用剛接，通常采用的連接方式有樁頂直接深入上部結(jié)構(gòu)或樁頂通過錨固鐵件或鋼筋深入上部結(jié)構(gòu)，以達(dá)到剛接的目的。有經(jīng)驗時也可通過采用樁頂部設(shè)置樁芯鋼筋混凝土的連接方式，但沒有明確如果采用樁頂設(shè)置樁芯鋼筋混凝土?xí)r，該如何確定樁芯鋼筋混凝土的長度。本文結(jié)合印尼某電廠碼頭鋼管樁樁頭連接方式，對樁芯鋼筋混凝土的長度確定進行初步探討。

1 工程概況

碼頭是印尼某電廠的配套工程，為1座2萬t級進口煤炭碼頭。碼頭采用預(yù)制高樁梁板結(jié)構(gòu)，靠船裝卸平臺平面尺度為195 m×24 m。排架間距為8.0 m，每榀排架設(shè)6根樁徑1.2 m的鋼管灌注型嵌巖樁，為全直樁。平臺上部結(jié)構(gòu)由橫梁、縱向梁系、迭合面板和靠船構(gòu)件組成。碼頭斷面如圖1。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意

2 鋼管樁頂部和上部結(jié)構(gòu)連接方式選擇

根據(jù)現(xiàn)行《港口工程樁基規(guī)范》，鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)采用剛接，通常采用的連接方式有樁頂直接深入上部結(jié)構(gòu)或樁頂通過錨固鐵件或鋼筋深入上部結(jié)構(gòu)，連接型式如圖2所示。

圖2 鋼管樁與上部結(jié)構(gòu)連接型式示意

采用上述連接方式，計算按照規(guī)范要求，滿足表1計算即可。

然而，本項目工期緊，且由于碼頭面處印度洋，海況條件極其惡劣，如果采用樁頂直接伸入上部結(jié)構(gòu)的連接方式，則下橫梁鋼筋綁扎難度較大，時間較長，工人操作不方便，偏于危險，且造價相對較高，因此不采用此種連接方式。若樁頂通過錨固鐵件或鋼筋與橫梁連接，需在沉樁后在鋼管樁內(nèi)壁焊接錨固鐵件或鋼筋，并將錨固鐵件或鋼筋伸入橫梁。采用此種連接方式，在鋼管樁內(nèi)壁焊接錨固鐵件或鋼筋時，將由于焊接造成鋼管樁溫度急劇升高，造成鋼管樁防腐蝕保護涂層破壞，在處于半日潮和波浪較大的情況，對被破壞的防腐蝕保護涂層進行修補，難度極大，所以此種連接方式亦被排除。綜合考慮，本項目采用樁頂設(shè)置樁芯鋼筋混凝土的連接方式。

表1 樁頂剛接錨固驗算項目

3上部結(jié)構(gòu)連接方式注意事項

樁頂采用樁芯鋼筋混凝土與上部結(jié)構(gòu)連接，除應(yīng)滿足抗彎、抗剪和抗軸向力要求外（此部分計算本文不深入），尚應(yīng)根據(jù)樁基具體受力情況，考慮相應(yīng)處理措施。

3.1 樁芯鋼筋強度

樁基承受軸向受拉力時，還應(yīng)關(guān)注樁芯鋼筋與上部結(jié)構(gòu)的連接強度問題，樁芯鋼筋面積可參考規(guī)范《港口工程樁基規(guī)范》（JTS 167-4-2012）的公式5.4.11進行計算。

樁芯鋼筋長度在滿足錨固長度Lm外，尚應(yīng)考慮鋼筋的抗拔性，因為現(xiàn)有港口規(guī)范尚無明確鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度計算公式，由于鋼筋與嵌巖樁的錨桿類似，建議可采用《港口工程樁基規(guī)范》（JTS 167-4-2012）的公式8.3.6進行計算，因此樁芯鋼筋長度取為Lq=max{Lm,L}。

3.2 樁芯混凝土與鋼管樁內(nèi)壁連接強度問題

樁基受到軸向力作用時，應(yīng)充分考慮樁芯混凝土與鋼管樁內(nèi)壁的粘結(jié)強度，否則將有可能造成樁芯混凝土脫離。在我國現(xiàn)有規(guī)范中，對混凝土與鋼管樁粘結(jié)作用尚無明確的計算方法，美國石油協(xié)會的推薦手冊《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法 工作應(yīng)力設(shè)計法》（RP 2A-WSD）中的7.4條對鋼管樁內(nèi)壁有無設(shè)置剪力鍵的粘結(jié)強度分別進行了規(guī)定，具體如下：

1）無剪力鍵條件下的粘結(jié)強度

對于承載能力極限狀態(tài)的粘結(jié)強度為：fba=0.184 MPa；

對于正常使用極限狀態(tài)的粘結(jié)強度為：fba=0.134 MPa。

2）有剪力鍵條件下的粘結(jié)強度

設(shè)置剪力鍵如圖3。

對于承載能力極限狀態(tài)的粘結(jié)強度為：fba=0.184 MPa+0.67fcu·h/s；

對于正常使用極限狀態(tài)的粘結(jié)強度為：fba=0.134 MPa+0.5fcu·h/s。

其中：

fcu為水泥漿無側(cè)限抗壓強度，MPa；

h為剪力鍵凸出高度，mm；

s為剪力鍵間距，mm。

圖3 設(shè)置剪力鍵示意

本項目樁芯混凝土與上部結(jié)構(gòu)連接方式采用無剪力鍵連接方式，因此承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的粘結(jié)強度分別為 0.184 MPa和0.134 MPa。

在樁基軸向力作用下，樁芯柱的長度Lz按以下公式進行計算：

Lz=F/πd·fba

式中：

Lz為樁芯柱長度，m；

F為樁基軸向力設(shè)計值，kN；

d為鋼管樁內(nèi)徑，mm；

fba為混凝土與鋼管樁內(nèi)壁的粘結(jié)強度，MPa。

綜上，樁芯長度應(yīng)取為：L=max{Lq,Lz}。

本碼頭采用 robot軟件對碼頭平臺進行計算，統(tǒng)計各種工況的樁基內(nèi)力，通過上述分析和計算，樁芯鋼筋混凝土長度確定為3.5 m。

若需適當(dāng)降低樁頭芯柱長度，可通過設(shè)置剪力鍵，使剪力鍵承擔(dān)部分荷載及加強混凝土與樁內(nèi)壁的粘結(jié)強度。

經(jīng)反饋，碼頭已建成安全運行多年，因此在鋼管樁樁頂不適合采用樁頂直接深入上部結(jié)構(gòu)或樁頂通過錨固鐵件或鋼筋深入上部結(jié)構(gòu)的連接方式的條件下，通過以上設(shè)計方法來確定鋼管樁樁頂與上部結(jié)構(gòu)采用樁芯鋼筋混凝土的連接方式是安全可靠的。

4 結(jié) 語

1）鋼管樁樁頂與上部結(jié)構(gòu)采用樁芯鋼筋混凝土的連接方式除了考慮樁芯籠本身的受力外，還應(yīng)考慮樁芯混凝土與鋼管樁的粘結(jié)強度，現(xiàn)行規(guī)范對樁芯混凝土與鋼管樁的粘結(jié)強度及共同受力沒有明確規(guī)定，本文通過實際工程實踐證明，上述考慮方法是可行的、安全可靠的，可為類似項目提供參考、借鑒；

2）如果實際工程樁中，樁基內(nèi)力較大，按照上述方法計算出樁芯鋼筋混凝土的長度過長，費用較高，可按照美國石油協(xié)會的推薦手冊《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法 工作應(yīng)力設(shè)計法》（RP 2A-WSD）中的建議設(shè)置剪力鍵，對此進行研究，以降低造價。