田安大桥支架钢管桩设计与施工

2012-09-25刘明军林志军

城市道桥与防洪 2012年4期

刘明军，林志军

(中交一公局厦门工程有限公司,福建厦门 361021）

1 工程概况

泉州市田安大桥主桥为上承式梁拱组合桥梁，桥跨布置为（50+160+50）m。上部结构采用双幅分离、三跨连续结构体系（见图1）。上部结构为主梁与拱面组合整体承载，为钢结构。下部结构采用钻孔桩基础，为混凝土结构。

田安大桥主桥双幅分离式，两幅桥间距1 m，单幅桥宽为17.75 m，全桥总宽度为36.5 m。主梁划分为 A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L 共 12 种类型，66个制造梁段（见图2）。制造梁段长度为6.6 m～10.5 m，梁段重量为 58.4 t～219 t。

2 工程地貌与地质

该工程地貌属晋江中下游冲洪积、海积平原地貌。地面标高一般在3.500 m～8.000 m左右。岩土体共分为6大层。场址区地层自上而下依次为：第四系全新统长乐组冲洪积层的粉质粘土、砂土、碎石土（Q4al-pl）、海积层淤泥（Q4m）、残积砾质粘性土（Qel），下伏基岩为燕山晚期侵入的花岗岩（γ53（1）b）。

2.1 水文特性

据泉州市水文局资料：石砻水文站近20 a记录的晋江每年最大流量为1 350 m3/s～6 180 m3/s，2000年的最大流量为历年之最。泉州大桥水文站自建站以来最大潮位年份为2001年，最大潮位为4.71 m（1985年黄海高程）。

2.2 水文地质

沿线地表水主要有晋江水系，水量丰富，河水量随季节变化较大，受海潮影响；晋江南岸及零星分布的池塘等。其水文地质参数见表1所列。

3 支架钢管桩设计计算

3.1 钢管桩承载力确定

桥梁拱面范围的梁段吊装所用支架采用8根

拱面范围梁段吊装支架钢管承受平均荷载：P=186.9/8=23.36（t）；

L梁段拼装支架钢管承受平均荷载：P=219/12=18.25（t）；

单根钢管桩最大受力为23.36 t（支架钢管最大自重为3.9t，GA拱肋处）。

桥梁上部构造施工工况复杂，为保证支架钢管桩稳定，对管桩设计最大承载力予以提高。

P=23.36×10×2=467.2（kN）

钢管桩桩底承载力均按照550 kN控制设计。

3.2 钢管桩打入深度计算

桥址区域内的土层主要分布为淤泥、粉砂、粉质粘土、中砂、卵石、全风化花岗岩，各土层的分布情况、分布位置及物理特性如表2所列。

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）中5.3.3-3式，沉桩的承载力容许值为：

式中：u——桩身周长，u=πD=π×0.61=1.916 m；

N——土的层数；

li——承台地面或局部冲刷线以下各土层的厚度，m；

qik——与li对应的各土层与桩侧极限摩阻力

标准值，kPa，按表5.3.3-4取用；

qrk——桩端处的承载力标准值，kPa，按表

5.3.3-5取用；

αi、αr——分别为振动沉桩对各土层对桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数，对锤击、静压桩其值均取1.0。经过计算，得出:1＞hc/d

式中：hc——桩端进入持力层的深度，

m；d——桩的直径，m。

图1 田安大桥立面布置图（单位：cm）

图2 结构立面布置图（纵向半幅）（单位：cm）

表1 晋江水文地质参数表（20 a一遇）

图3 支架总体布置图（单侧）

图4 支架横断面示意图

图5 支架纵断面示意图

表2 河床地质情况汇总表

查表5.3.3-5沉桩桩端处的承载力标准值，得出：

qrk=4 000 kPa（参考中密圆砾石），考虑主河槽的冲刷深度3.3 m。

1#过渡墩R位置：桩端进入卵石层深度hc=0.03 m；hc/d=0.05。

1#过渡墩L位置：桩端进入卵石层深度hc=0.41 m；hc/d=0.67。

2#主墩位置：桩端进入卵石层深度hc=0.6 m；hc/d=0.98。

3#主墩位置：桩端进入卵石层深度hc=0.52 m；hc/d=0.85。

各段桩基入土深度（从河床算起）及桩底高程如表3所列。

根据以上计算，支架钢管桩施工时Φ610 mm钢管桩的入土深度为(从河床底计算)：

1#过渡墩R位置：入土按15.75 m控制，下料长度22 m。

1#过渡墩L位置：入土按14.45 m控制，下料长度23 m。

表3 桩基入土深度及桩底高程表

2#主墩位置：入土按11.6 m控制，下料长度23 m。

3#主墩位置：入土按14.85 m控制，下料长度20 m。

3.3 钢管桩轴心受压稳定计算

钢管桩（Φ610mmδ8mm）截面积A=15130mm2，回转半径i=212.9 mm，构件截面分类为a类。GA拱肋处安装支架高度最大，作为验算长度，离水面高度11.8 m，钢管桩桩顶以下部分至河床冲刷面高度为：

H=4.2-（-7.22-3.3）=14.72（m）

钢管桩水下部分长度的最大长细比为：

λ=14.72×1 000/212.9=69

查表得出压杆稳定系数φ=0.844，则钢管桩轴向受压容许荷载为：

P=0.844×215×15 130=2 745 489（N）=2 745.5（kN），符合要求！

3.4 钢管桩水平荷载作用计算

钢管桩入土后，其泥中部分作为固定端，水中部分作为悬臂端，受到潮流、风力、波浪等水平力作用，在泥水交接面处钢管桩产生最大弯矩，对其应力进行验算。

3.4.1 潮流作用（见图6）

根据《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010），采用13.0.1公式计算潮流对钢管桩的作用力（计算取年平均最高水位，管桩在水中长度最大）：

式中：Fw——水流力标准值，kN；Cw——水流阻力系数，查表13.0.3-1，取值0.73；ρ——水密度，t/m3，淡水取1.0，海水取1.025；V——水流设计速度，m/s，退潮最大流速

1.21 m/s；

A——计算构件在与流向垂直平面上的投影面积，m2,钢管桩最大水下长度为14.72 m（含冲刷厚度 3.3 m），A=14.72×0.61=9.0（m2）。

图6 潮流对钢管桩作用简化示意图

图7 风荷载对钢管桩（水面以上部分）作用简化示意图

潮流对钢管桩的作用力为：

集中力作用点在桩顶以下1/3高度处（13.0.4条第2点）。根据以上计算得出水流力对钢管桩（泥水交界处）产生的弯矩为：

M=F×l=4.8×14.72×（2/3）=47.1（kN·m）

支架钢管桩水中部分与龙门吊轨道钢管桩相同，根据以上计算得出水流力对钢管桩（泥水交界处）产生的弯矩为：

M=F×l=4.8×14.72×（2/3）=47.1（ kN·m）

3.4.2风力作用

钢管桩计算高度取平均年最高水位标高，对拼装支架的钢管露出水面部分进行风荷载计算。

根据设计文件，取临时结构20 a一遇设计风速。根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD60-01-2004），查附表A取福建崇武100 a一遇的设计风速换算，查表3.3.1取换算系数，经计算得出：

V10=38.4×0.88=33.8（m/s）

根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004），第4.4.3条规定，作用于桥墩或桥塔上的风荷载可按地面或水面以上0.65倍墩高或塔高处的风速值确定，经过简化转换，风荷载作用如图7所示。

钢管桩离水面最大高度为11.8 m，采用如下公式计算风荷载对拼装支架钢管的作用力（单根钢管桩）：式中：FH——风荷载，N；

Ρ——空气密度，kg/m3，取1.25；

Vg——静阵风风速，m/s；

CH——桥梁阻力系数，查表4.4.2取值，D×V10≥6 m2/s，高宽比为 19.3，钢管离水面高度11.8 m，CH=0.6；

An——桥梁各构件顺风向投影面积，m2，钢

管顶离水面高度H=11.8 m，钢管Φ610 mm，An=11.8×0.61=7.2（m2）；GV——静阵风系数，查表4.2.1取值，该处为

A类，取值GV=1.29；

VZ——基准高度Z处的风速，m/s，即Vd；

V10——基本风速，m/s，查附表A和表3.3.1

取值计算；

K1——风速高度变化修正系数，查表3.2.5取值，

该处为A类，根据第4.4.3条，折算系数为0.65，换算后的离水面高度为7.7 m。

3.4.3波浪作用

桥址处现场波浪较小，故计算时不考虑波浪作用力。

3.4.4支架钢管桩水平力作用

支架钢管受到的水平力主要有水流力和风荷载，最不利受力状态为两者叠加作用。根据以上计算，水流力对钢管桩（泥水交界处）产生的弯矩为：

M=F×l=4.8×14.72×（2/3）=47.1（kN·m）

风荷载对钢管桩（泥水交界处）产生的弯矩为：M=F×l=6.7×（11.8×0.65+14.72）=150.0（kN·m）水平力总和F=4.8+6.7=11.5（kN）

弯矩总和 M=150.0+47.1=197.1（kN·m）

钢管桩Φ610 mmδ8 mm，各项参数：截面积A=15 130 mm2，截面抵抗矩 W=2 247 585 mm3。

钢管在泥水交界处产生的应力为：

σ=M/W=197.1 ×106/224 758 5=87.7（MPa）＜[σ]=215 MPa

τ=11.5×103/15 130=0.8（MPa）＜ [τ]=125 MPa

符合要求！

可得桩的最大弯曲应力为87.7MPa。以上计算为单根钢管桩在打入土中后抵抗水流、风力的能力。支架（一组4根钢管）搭设完成后，钢管桩之间，以及和上部结构之间采用工字钢等连接形成框架，其整体稳定性大大提高。该计算工况为钢管桩的最不利状态，由此得出钢管桩满足施工和使用要求。

4 支架钢管桩施工

4.1 钢管桩制备

4.1.1钢管桩的加工和制造

钢管桩采用Q235钢板在专业钢结构加工厂制作。为方便施工，每节长度为12 m，接桩在现场进行，采用焊接接头，避免接头处于局部冲刷线附近。

钢管的连接采用电焊对接，焊缝型式为V字型坡口焊，焊缝高度应高出钢管面2 mm，焊缝宽度不小于2倍的钢管壁厚。

对接焊缝的外侧沿四周加焊6块钢板加劲块，加劲块钢板的厚度不小于钢管壁厚，长度不小于200 mm，宽度不小于100 mm，加劲块与钢管满焊连接。

4.1.2钢管桩的运输

钢管桩构件运输最大长度12.0 m，构件单重约为2.1 t。构件在出厂前标上重量、重心和吊点的位置，以便吊运和安装。利用挂车运至施工现场，在运输过程中应固定好，防止滑落发生事故。

钢管桩应按不同的规格分别堆存，堆放层数和形式应安全可靠，为防止滑动，钢管桩两侧用木楔塞紧。为避免钢管桩产生纵向变形和局部压曲变形，堆放场地尽量平整、坚实且排水畅通。为方便钢管桩的吊装，根据钢管桩使用的先后顺序确定钢管桩的摆放位置。

平板车上设置运输台架，将钢管桩整体架空，整长运输。在钢管桩的起吊、运输和堆存过程中，应尽量避免由于碰撞、摩擦等原因造成的管身变形和损伤。

4.1.3钢管桩的验收

进场时应有合格的“质量检验证明书”，进场后应按现行标准进行抽检、复验，表面不得有裂缝、气泡、起鳞、夹层等缺陷。为防止钢管桩插打过程中下口变形卷曲，影响插打深度，钢管桩均采用闭口桩，以增大钢管桩的刚度及钢管桩桩端承载力。

钢管桩检查验收时表面不得有气孔、裂纹、弧坑、夹渣等，有焊瘤时需用砂轮打磨，并需补焊，补焊后也需用砂轮打磨。焊缝允许超高不大于3 mm，对接焊缝表面各焊道交界处在凹沟时最低点不得低于母材表面。

（1）钢管桩管节制造完毕后，检查其外型尺寸，应符合：

椭圆度：允许0.5%D，且不大于5 mm(D为钢管桩外径)；

外周长：允许±0.5%C，且不大于10 mm(C为钢管桩周长)；

管端平面倾斜：允许0.5%D，且不大于4 mm(D为钢管桩外径)。

（2）钢管桩对口拼装时，相邻管节的管径偏差不大于2 mm，对口板边高差不大于1 mm。

（3）钢管桩对接焊缝允许偏差：

咬边：深度不超过0.5 mm，累计总长度不超过焊缝长度的10%；

超高：不大于3 mm。

（4）对口接长后，钢管桩外形尺寸的允许偏差：桩长偏差：+300 mm，0 mm；

桩轴向弯曲矢高：允许0.1%L，且不大于30 mm(L为钢管桩长度)。

4.1.4钢管桩的接长

钢管桩接长前，将焊缝上下30 mm范围内的铁锈、油污、水汽和杂物清除干净。钢带对接焊缝与管节端部的距离不小于100 mm。对接环缝焊完后沿桩周均布加焊六块200 mm×100 mm的加劲钢板，以增强钢管桩整体刚度。钢管桩接长后，根据长度及时编号。

4.1.5钢管桩防腐处理

因龙门吊轨道基础上部长期暴露在空气中，下部浸泡在水中，水和潮湿的空气对钢管的腐蚀性较大，且使用周期长，因此钢管施打前需全段进行粉刷乳化沥青防腐处理。

4.2 钢管桩施工

（1）沉桩之前，将震动打桩锤与钢管桩通过夹持器连接，检查两者竖直中心线是否一致，桩位是否正确，桩的垂直度是否符合规定。

（2）在确定钢管桩桩位、垂直度满足要求后，开动振动锤施打。每根钢管桩的下沉应一气呵成，中途不得有较长时间的停顿，以免桩周土扰动恢复造成沉桩困难。钢管桩下沉过程中，及时检查钢管桩的倾斜度，发现倾斜及时采取措施调整，必要时停止下沉，采取其它措施进行纠正。

（3）钢管桩下沉过程中，随时观察其贯入度，当贯入度小于5 cm/min时，应停振分析原因，或用其它辅助方法下沉，禁止强振、久振。

（4）钢管桩插打采用桩端承载力和入土深度双控。施工中应确保钢管桩的入土深度，并可视设计桩尖处的贯入度适当调整钢管桩桩底标高。

（5）打桩施工完成后，检查钢管桩的偏斜及入土深度，钢管桩的垂直度控制在不大于1%，桩中心偏差在50 mm以内。

（6）钢管桩垂直度和深度满足设计要求后，在每排钢管桩之间安装桩间横向联接系和剪刀撑，同时焊接桩帽，安装桩顶分配梁，桩顶分配梁应与桩帽焊接牢固。

4.3 钢管桩接桩、截桩和废桩

4.3.1接桩

如因打桩设备限制或其它地质因素，致使单根钢管桩无法达到设计深度或所需承载力时，须采取接桩方式处理。接桩时应先将下段桩打至桩头高出地表或水面至少50 cm，再将上段桩吊置于其上，并用经纬仪检测其垂直度无误后，按照设计图或工程师指示原则，于接头处实施全周长电弧电焊。接头焊接前除应严密检查有无油污、锈屑、涂料并保持密接外，焊接及检验方式还应符合相关规定。焊接完成后，须待焊接处冷却后才可继续打桩。

4.3.2截桩

所有桩应尽量照规定打至设计高程，以避免截桩。若因地质因素确实无法打至设计高程或接桩部分超过设计桩顶高程时，须将超出设计高程之桩长截除。

4.3.3废桩

打桩过程中，致使桩头或桩身过分受力损坏，或打桩完成后之垂直度偏差等参数超出规定容许值，经研判无法补救者，均以废桩处理。废桩应在侧面补桩，所补管桩能满足整体结构要求即可。