杭州湾跨海大桥钢管桩成套关键技术_陈涛

表1
项 目
钢管桩基础与钻孔桩基础方案综合比较
基础型式 钢管桩 中引桥 : 18南引桥 : 201 5m 1 6m 钻孔桩 中引桥 : 8- 2 5 m 南引桥: 8- 2 5 m( 2 0 m) 普通钢筋混凝土结构 , 抗弯性能略差 , 抗压性能好 高 一般 , 直桩抗水平力较差 好 能满足要求 不受流速限制
究确定合理的桩身结构、 制造方案和防腐蚀方案 , 并实施厚壁螺旋缝高速 自动埋弧焊 工艺解决 钢管桩制造 难题 ; 通过 对高性能 涂层材料的研制和涂装工艺研究解决防腐涂层难题 , 并在此基础上实施 基于高性 能防腐涂层 体系的阴 极保 护系统 , 解决钢管桩防腐蚀难题 ; 通过对打桩设备的研制和选型、 相应工艺措施的制定 , 解决钢管桩沉桩难题。 关键词 : 杭州湾跨海大桥 ; 钢管桩 ; 设计 ; 制造 ; 防腐蚀 ; 沉桩 ; 成套技术
施工难度
施工速度 河床冲刷适应性 经济性
收稿日期 : 2009- 12- 07
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3 钢管桩总体设计 3 1 总体布置 根据杭州湾自然区划及地质、 水文条件以及桥
10 5 m, 承台厚度 2 8 m, 两幅桥基础中心距 17 m, 承台之间最小净距 6 5 m 。 南引桥水中低墩区标准段单幅桥钢管桩基础布 置 101 6 m 钢管 桩, 呈梅花 形布置 , 桩顶 间距 2 8 m 。承台为圆形, 直径 12 0 m , 承台厚度 3 0 m, 两幅桥基础中心距 17 m, 承台之间最小净距 5 0 m 。 中、 南引桥水中低墩区引桥钢管桩基础布置如图 1 所示。
基金项目 : 浙江省交通厅科技计划项目 , 项目编号 2006H 54
中区引桥基础未采用预应力管桩方案。 钻孔灌注桩与钢管桩基础两种方案均可行 , 为 此 , 从结构合理性 , 施工可操作性 , 结构可靠性、 耐久 性、 经济性等方面做了综合比选, 结果详见表 1 。经 综合比较, 最终确定采用钢管桩方案。
焊接工艺参数
内螺旋焊缝精焊接 后焊丝 800 A 42 V 前焊丝 1 300 A 32 V 后焊丝 800 A 42 V
外螺旋焊缝焊接
板厚 22 mm 时 : 1 000 mm / min; 板厚 20 m m 时 : 1 100 mm/ mi n DC+ 不设置 D C+ 后倾 10 20 mm 无间隙双面 V 形坡口 , 坡口角 60 , 纯边 9 mm 焊丝 4H08M nA , 焊剂 SJ101 AC 前倾 5 D C+ 后倾 5 15 mm AC 前倾 10
表 3 焊接接头机械性能
名 称 标准要求 2 件拉伸, 470~ 690 MPa 4 件侧弯, D= 3a, 180 焊缝、 热影响区各 3 件 冲击试验 / J 冲击 , 0 , KV 不小于 34 J 结 果
5 1 2 高性能涂层下的阴极保护体系 由于高性能涂层的绝缘较好 , 同样条件下阴极 保护电流的辐射距离比传统的阴极保护方案加大, 使得采用局部安装阳极保护整体的方式成为可能。 通过实验和计算, 确认局部安装方法完全满足阴极 保护最小电位准则。 5 2 涂层性能与施工工艺 5 2 1 涂层性能 研究开 发 的 SEBF - 6 - 1, SEBF - 6 - 2 和 SEBF - 6 - 3 防 腐 涂 料 分别 达 到 如 下 主 要性 能 指标。 ( 1) 黏 结强 度: SEBF - 6 - 1 黏 结 强 度大 于 70 M Pa, 达到国家标准的 2 倍; ( 2) 抗阴极剥离: SEBF- 6- 1 涂层的阴极剥离 值小于 3 mm ; ( 3) 附着 力: SEBF - 6 - 1, SEBF - 6 - 2 和 SEBF - 6- 3 涂层试样在 95 蒸馏水中浸泡 30 d, 达到一级的撬剥标准, 附着力远远超出普通涂料 ; ( 4) 抗划 伤 能 力: SEBF - 6 - 3 划 伤 深 度 为 250 m , 远优于标准指标( 500 m) ; ( 5) 抗紫外老化能力: SEBF- 6- 3 涂层的抗老 化色差值比常规环氧涂层低 60% 。
梁区段的不同, 将水中区引桥划分为中、 南引桥水中 低墩区和高墩区等三个区段, 分别采用不同的钢管 桩基础布置。 中引桥 水 中 低墩 区 单 幅 桥 钢管 桩 基 础 布 置 9- 1 5 m 钢管桩, 呈梅花形布置, 桩顶间距 2 6 m, 桩 长 71~ 89 m, 最大斜率 6 1。承 台为圆 形, 直 径
层保护、 阴极保护等多种防腐蚀方案的比选。 预留腐蚀余量和阴极保护是国外跨海桥梁应用 比较广泛的防腐蚀方法。但是从技术的发展角度, 高性能的环氧涂层加阴极保护的联合防腐蚀体系是 比较先进和性能可靠的防腐蚀方法。 从技术的先进性和可靠性, 制造和施工的难易 程度和经济性综合分析 , 以高性能环氧涂层为主 , 辅 以阴极保护的联合防腐蚀体系具有较高的优越性。 因此, 设计上采取该方案作为钢管桩的防腐蚀方案。 4 钢管桩制造关键技术 螺旋焊缝焊接时, 钢管壁厚大、 焊缝质量要求高 和焊接速度要求快, 这三要素对螺旋焊缝自动埋弧 焊而言, 它们是互相制约的。解决这一技术难题的 关键是在螺旋焊缝焊接上研究和实施高速优质的焊 接工艺。厚壁螺旋缝高速自动埋弧焊工艺的技术方 案是在实施螺旋焊管在线预精焊新技术基础上采用 强大电流交直流双电源多丝自动埋弧焊工艺。 4 1 在线预精焊新技术 螺旋焊管由钢带螺旋状卷曲焊接成型, 其螺旋 缝采用双面自动埋弧焊法焊接, 如图 2 所示。
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第5期
处设置外焊焊枪 , 对钢带螺旋缝进行外焊; ( 3) 在螺旋焊管延伸方向离 A 处一个螺距的 C 处设置第二次内焊焊枪, 在预内焊的基础上对焊缝 进行精内焊。 钢管桩制造初期 , 采用传统焊接方法, 焊缝缺陷 长度 34 6% , 采用螺旋焊管在线预精焊方法后 , 焊 缝缺 陷长 度降到 了 1% 以 下, 形成 了正 常 的流 转 作业。 4 2 多丝自动埋弧焊工艺
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2010 年 5 月
第5期
H IG HW A Y
M ay 2010 N o 5
文章编号 : 0451- 0712( 2010) 05- 0057- 05
中图分类号 : U 443 159
文献标识码 : B
杭州湾跨海大桥钢管桩成套关键技术
陈
摘
涛
315327)
( 杭州湾大桥工程指挥部 宁波市
要 : 杭州 湾跨海大桥水中区引桥规模庞大 , 通 过合理 的基础形 式比选 确定采 用钢管 桩基础 , 通过 一系列 研
1 工程概况 杭州湾跨海大桥北起嘉兴海盐, 跨越宽阔的杭 州湾海面 , 南止于宁波慈溪, 全长 36 km, 其中 , 水中 区引桥长达 18 27 km, 采用大直径、 超长钢管桩基 础。钢管桩桩径采用 1 5 m 和 1 6 m 两种规格 , 桩长 71~ 89 m , 最大桩重 74 t , 总桩数 5 474 根, 总 用钢量近 37 万 t , 其桩长、 桩径、 桩重、 桩数均为国内 钢管桩工程之最。 杭州湾地处世界三大强潮海湾之一 , 建桥条件 受气象、 水文、 潮流、 地质、 冲刷及浅层气等多种恶劣 的自然条件影响 , 并且杭州湾海水对钢结构具有比 较强的腐蚀作用。上述因素给钢管桩设计、 制造、 防 腐和沉桩均带来了较大难度。 2 基础方案比选 水中区引桥桥址处覆盖层厚, 地基持力层埋置 深, 比较合适的基础形式为摩擦型桩基础 ; 同时 , 由 于杭州湾的水文和地质等自然条件较为恶劣, 可作 业天数较少, 为抵抗强潮流, 尽可能缩短海上作业时 间, 宜选用大直径、 高强度、 施工便捷的桩型。水中 区引桥基础比较了钢管桩、 钻孔灌注桩和预应力管 桩三种不同的桩基础方案。 预应力管桩具有高强、 施工迅速、 经济性好等优 点, 但在杭州湾特定的水文、 地质条件下, 无论从施 工期安全性、 运营期可靠性还是从结构耐久性等方 面出发, 预应力管桩的应用均受到了较大的限制, 水
表2
名 称 内螺旋焊缝预焊接 前焊丝 焊接电流 电弧电压 焊接速度 焊丝极性 焊丝倾角 焊丝间距 焊接坡口 焊接材料 700 A 34 V 1 200 A 32 V
经多个技术方案的试验, 钢管桩的螺旋缝外焊 和精内焊采用双丝自动埋弧焊工艺, 焊丝纵列布置。 前焊丝接直流焊接电源 , 调节焊接参数以焊接熔深 为主要目的 ; 后焊丝接交流焊接电源 , 调节焊接参数 以焊缝成形良好为主要目的。前后焊丝共同对焊缝 熔池的作用 , 使焊接冶金反应充分, 可达到焊接速度 快 ( 是单丝焊的 2 倍以上) 和焊接质量好的效果。螺 旋焊缝高速埋弧焊焊接工艺参数见表 2, 焊接接头 性能见表 3。
图2
螺旋法成型示意
传统的焊制工艺方法是在图 2 的 A 处设置内 焊焊枪 , 完成内螺旋缝焊接。在 B 处设置外焊焊枪 完成外螺旋缝焊接。当钢管壁厚大于 16 m m, 特别 是钢材屈服强度大于 345 M P a 时 , 钢管内螺旋缝往 往会出现纵向裂纹缺陷。 在线预精焊技术是在螺旋焊管成型机组线上改 变焊法 , 其方法是 : ( 1) 在钢带螺旋成管的初始部位设置第一次内 焊焊枪 , 对钢带形成的螺旋缝进行预内焊 ; ( 2) 在螺旋焊管延伸方向离 A 处半个螺距的 B
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力确定。本桥址区软土层较厚 , 桩基要满足设计承 载力的要求, 需穿过软土层, 桩尖置于较密实的粉细 砂层。各区段较理想的持力层埋置深度不同, 桩长 71~ 89 m 。 3 2 2 钢管桩直径 钢管桩直径主要由基础刚度及结构受力确定 , 并兼顾施工能力等因素。 本桥址区水深流急、 风高浪大、 冲刷剧烈 , 小直 径的钢管桩较难满足刚度要求且施工期稳定性差。 钢管桩必须采用较大的直径, 具有较强的刚度。通 过计算比选, 确定采用 1 5 m 和 1 6 m 。 3 2 3 钢管桩壁厚 钢管桩壁厚主要由结构受力和耐久性 要求确 定。根据受力分析 , 钢管桩壁厚需 18 mm 。海洋环 境条件下钢管桩壁厚还需考虑耐久性要求, 为满足 桥梁 100 年正常使用的要求, 本桥钢管桩防腐方案 采用高性能环氧涂层 + 阴极保护+ 预留腐蚀余量的 联合防腐方案。 前 50 年主要靠高性能环氧涂层进行防腐 , 阴极 保护作为辅助手段对钢管桩涂层局部失效及破损区 域进行防腐; 50 年后, 前 30 年主要靠阴极保护进行 防护 , 后 20 年靠预留腐蚀余量保证钢管桩的安全运 行。根据已有的海洋腐蚀数据 , 采用联合防护方案 措施 , 水位变动区和水下区应预留腐蚀余量 4 m m, 泥下区应预留腐蚀余量 2 mm 。综合计算结果及钢 管桩沉桩施工等因素, 钢管桩上节段 ( 水位变动区、 水下区) 采用壁厚 = 22 mm, 下节段( 泥下区 ) 采用 壁厚 = 20 m m 。 3 3 制造方案 钢管桩制造主要有两种方式 直焊缝钢管和
桩基形式 力学性能 单桩容许承载力 结构合理性 结构可靠性 结构耐久性 施工期稳定性
力学性能优 , 抗弯能力强 较高 好 好 能满足要求 不受流速限制
施工设备要求
一般能力的钻孔 大型打桩船 , 机械即能满足要求 , 桩架高度 80~ 90 m , 但数量要求较多 ; 起吊能力 > 80 t , 混凝土浇注量高达 桩锤能量 300~ 91 万 m 3 , 需众多的水上 400 kN m; 一定数量 混凝土工厂及相应的 的水上混凝土工厂 运输船舶 较大。需搭设施工平台 , 下沉大直径钢护筒 , 钻孔深度较深 ; 施工工作量较大 较快。一艘打桩船平均 较慢。单墩基础 每天可沉桩 3~ 8 根 施工期长 容易 好 1 0 较好 1 384
单位 : cm
图1
中、 南引桥水中低墩区引桥钢管桩基础布置
3 2
钢管桩桩身结构设计 钢管桩桩身结构设计主要考虑三个方 面的内
结构尺寸包括桩长、 直径、 壁厚。 3 2 1 钢管桩桩长 钢管桩桩长主要根据桩基受力情况由地基承载
容: 结构受力、 耐久性设计及沉桩施工。钢管桩主要
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第5期
陈
涛 : 杭州湾跨海大桥钢管桩成套关键技术
螺旋焊缝钢管, 若采用直焊缝钢管需增加预制管节 数量 , 并增加一道对拼工序, 使钢管桩制作周期大大 延长。工程实践表明, 杭州湾跨海大桥整个基础施 工中的控制性工程即为钢管桩制造 , 任何影响钢管 桩制造 的因 素 均会 对 大桥 建设 总 工 期产 生 不 利 影响。 综合钢管桩受力、 沉桩施工、 制作工艺、 成本控 制和制造工期等多种因素, 最终确定采用螺旋焊缝 整桩一次卷制的制造方案。 3 4 防腐蚀方案 杭州湾地处亚热带季风气候区, 海水及空气中 氯离子含量很高 , 属于强腐蚀地区 , 所以钢管桩的防 腐蚀显得尤为重要。为此进行了预留腐蚀余量、 涂