組合鋼管板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及耐腐蝕分析

李小烜

摘 要：組合鋼管板樁碼頭作為一種新型的碼頭結(jié)構(gòu)形式，兼具傳統(tǒng)鋼板樁和鋼管樁的優(yōu)點(diǎn)。組合式鋼管板樁結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼板樁結(jié)構(gòu)相比，性能上更加優(yōu)越，結(jié)構(gòu)受力方面更加合理，對荷載和地質(zhì)條件的適用性更強(qiáng)，具有較廣闊的應(yīng)用前景。本文以廣州港某板樁碼頭為例，對組合鋼板樁的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，闡述了影響組合鋼板樁耐腐蝕性的因素。

關(guān)鍵詞：組合鋼板樁;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);鋼管樁

中圖分類號：U656.1? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0075-03

鋼板樁作為一種新型建材，具有安全可靠、節(jié)能環(huán)保、沉樁施工便利等特點(diǎn)。近年來，被廣泛應(yīng)用于港口碼頭建設(shè)中。隨著碼頭建設(shè)向大型化、深水化發(fā)展，鋼板樁的抗彎強(qiáng)度較低，自身剛度較差的特點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來。而鋼管樁具有較強(qiáng)的強(qiáng)度，但是無法限制樁間的水土流失。結(jié)合鋼板樁和鋼管樁的優(yōu)缺點(diǎn)，近年來出現(xiàn)了采用鋼板樁和鋼管樁組合形式作為板樁碼頭的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)形式具備鋼管樁和鋼板樁的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了二者的不足。組合鋼板樁是由鋼管樁和不同的斷面形式的板樁組合而成，主樁長度長而重量重，輔樁長度短而重量輕，主樁和輔樁交替設(shè)置。這種組合形式利用鋼管樁剛度強(qiáng)的特點(diǎn)提高整體截面的剛度，使得組合墻的變形量減小，而且管樁和板樁通過一種特殊的鎖扣相連，有很好的密閉性和傳力性，能阻止水土流失和力的傳遞。本文以廣州港一個(gè)組合鋼板樁碼頭3#泊位為例，從組合鋼管板樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，對受力特點(diǎn)、施工難易等方面進(jìn)行分析，并闡述了組合鋼板樁的防腐蝕措施。

1工程概況

工程位于廣州港某港區(qū)，碼頭水工建筑物包括1-2#泊位、挖入式港池3-10#泊位以及8#泊位端部與上游汽車滾裝碼頭之間的銜接段主體結(jié)構(gòu)。碼頭前沿作業(yè)地帶頂高程3.5m。碼頭分兩期建設(shè)。其中3#泊位，泊位長度179m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)船型為5000DWT件雜貨船。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)底高程為-9.7m。9個(gè)650KN系船柱，25個(gè)DN-A500HX2000L橡膠護(hù)舷。工程所在地高程系統(tǒng)采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统蔽?。極端高水位為2.38m，設(shè)計(jì)高水位為1.21m。設(shè)計(jì)低水位為-1.5m，極端低水位為-2.12m。根據(jù)勘察單位的地勘報(bào)告中勘察鉆孔分析結(jié)果可知：自上至下依次為淤泥、淤泥-淤泥質(zhì)軟土、粉土、粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化泥巖。

2水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

碼頭前墻采用組合鋼板樁—鋼管樁/AZ系統(tǒng)。系統(tǒng)主樁采用Φ1422鋼管樁（δ=20mm），樁尖高程進(jìn)入中風(fēng)化泥巖層;系統(tǒng)輔樁均采用雙拼AZ20-700（δ=10mm）鋼板樁，樁尖高程為-15m，進(jìn)入粉質(zhì)粘土層不小于6m?，F(xiàn)澆胸墻高4.6m，頂高程為3.5m，寬3.0m。胸墻上設(shè)置護(hù)輪坎、管溝、系船柱塊體。胸墻分縫處設(shè)置二層非織造土工布（400g/m2）。板樁前墻在設(shè)計(jì)低水位以下設(shè)間距2m的排水孔，排水孔后設(shè)混合倒濾體。拉桿采用強(qiáng)度級別為GLG550的鋼拉桿，直徑Φ85mm，間距2500mm。錨碇結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土錨碇墻，墻高4.5m，墻厚800mm，錨碇墻前回填10～100kg塊石、胸墻及錨碇墻后回填中粗砂（?≥32°、含泥量<5%，振沖密實(shí)，標(biāo)貫擊數(shù)N≥15）。碼頭面布置10.5m軌距門機(jī)軌道，鋼軌型號為QU80，海側(cè)軌距碼頭前沿線2.5m，坐落在現(xiàn)澆混凝土胸墻上。后軌道梁基礎(chǔ)與2#端部臨近段采用?700鋼管樁，樁距5.0m，其余段陸上沉樁采用?600PHC樁，樁距4.0m，樁尖進(jìn)入中風(fēng)化泥巖層。

3組合鋼管板樁的特點(diǎn)及受力分析

3.1鋼管板樁的特點(diǎn)

組合鋼板樁分為HZ/AZ組合鋼板樁、鋼管板樁、箱型組合樁3種形式。組合鋼板樁由主樁和輔樁組成，主樁是主要受力構(gòu)件，可以作為基礎(chǔ)構(gòu)件，承受主體的豎向荷載，主樁的抗彎能力強(qiáng)。輔樁一般較短，承受的彎矩一般較小，對抗彎性能的要求比較低。主樁、輔樁一般用鎖口相連，通過鎖口將輔樁上的荷載傳遞給主樁。鋼管板樁的抗彎性能良好，豎向承載能力較強(qiáng)，可以承受水平和豎向荷載，鎖口的數(shù)量少。鋼管板樁在施工過程中需要大型鋼管樁打樁設(shè)備，一般在水上施工。適用荷載較大的情況，如軌道下岸壁結(jié)構(gòu)等。

目前，鋼板樁碼頭的計(jì)算理論有兩種方法：豎向彈性地基梁法和彈性線性法。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)，多采用有限元計(jì)算方法進(jìn)行二維、三維的模擬分析。本文采用彈性線法進(jìn)行碼頭踢腳、錨定穩(wěn)定性。

3.2碼頭踢腳穩(wěn)定驗(yàn)算方法

前墻的入土深度應(yīng)滿足下式要求：

式中：——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0;

——永久作用分項(xiàng)系數(shù)，持久組合，永久作用下土壓力（1.35）、剩余水壓力（1.05）;短暫組合，永久作用下土壓力（1.35）、剩余水壓力（1.05）;

——永久作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的作用效應(yīng)（KN*m）;

——可變作用分項(xiàng)系數(shù)，持久組合可變作用下土壓力（1.35），短暫組合可變作用下土壓力（1.25）;

——主導(dǎo)可變作用效應(yīng)（KN*m）;

——作用組合系數(shù)，取0.7;

——非主導(dǎo)可變作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的“踢腳”力矩（KN*m）;

MR—— 板樁墻前被動(dòng)土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值對拉桿錨定點(diǎn)的穩(wěn)定力矩（KN*m）;

——抗力分項(xiàng)系數(shù)，取1.25。

3.3受力分析計(jì)算結(jié)果

3.3.1踢腳穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

通過表1、表2可知，在承載能力極限狀態(tài)持久組合和地震組合下，均滿足要求。

3.3.2錨碇穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

通過表3可知，在不同組合情況下，錨定穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果均滿足要求。

3.3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果

由表4可知，φ85鋼拉桿在承載能力極限狀態(tài)下持久組合內(nèi)力值小于拉桿承載能力值，承載能力極限狀態(tài)下地震組合內(nèi)力值小于欄桿承載能力設(shè)計(jì)值，拉桿的強(qiáng)度滿足要求。由表5可知，在持久組合和地震組合兩種情況下，承載能力極限狀態(tài)的內(nèi)力設(shè)計(jì)值均小于板樁強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值。

4組合鋼板樁防腐蝕設(shè)計(jì)措施

組合鋼板樁要做好防腐蝕措施，主要的防腐蝕措施主要有以下幾種。

4.1涂層的涂刷

涂層的涂刷范圍包括組合鋼板樁迎水面和臨岸側(cè)所有外表面。樁頂處涂層的涂刷應(yīng)伸入胸墻底高程以50～100mm，水位變動(dòng)區(qū)就至設(shè)計(jì)低水位以下1.5m，水下區(qū)應(yīng)至泥面下1.5m;沉樁困難，預(yù)計(jì)樁端可能達(dá)不到設(shè)計(jì)高程時(shí)，涂刷范圍應(yīng)適當(dāng)加大。

4.2涂層設(shè)計(jì)

鋼板樁涂層在迎水面和背水面涂刷厚度不等的環(huán)氧重型防腐涂料，涂刷的道數(shù)和厚度見表6所示。組合鋼板樁表面處理等級要求，應(yīng)噴射除銹達(dá)GB8923.2-2008-T中Sa2.5級。

4.3犧牲陽極陰極保護(hù)

為滿足20年設(shè)計(jì)保護(hù)年限要求，采用重型防腐涂層與犧牲陽極陰極保護(hù)法聯(lián)合保護(hù)。犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)包括犧牲陽極、監(jiān)控系統(tǒng)和通電連接部件。組合鋼板樁按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)底標(biāo)高設(shè)計(jì)陽極塊。犧牲陽極為鋁鋅銦錫鎂合金陽極，化學(xué)成分滿足《鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極》（GB/T 4948-2002）的要求。陽極塊型號為A□Ⅰ-5，陽極材料為2型，單個(gè)陽極塊凈重114kg，毛重120kg。

5結(jié)論

從組合鋼板樁受力分析的結(jié)果可以看出，鋼管樁-鋼板樁具有較好的整體性，較好的抗彎抗變形能力，鋼管板樁結(jié)構(gòu)的錨定具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。各性能指標(biāo)驗(yàn)算均符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)在最不利的受力條件下安全可靠。因此，鋼管板樁結(jié)構(gòu)較鋼板樁更復(fù)雜地質(zhì)條件的適用性更強(qiáng)。鋼管板樁在設(shè)計(jì)過程中要做好防腐蝕措施。在復(fù)雜地質(zhì)條件下、能夠保證打樁精度和垂直度的前提下，類似的項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中可優(yōu)先考慮組合鋼管板樁結(jié)構(gòu)。

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