外海复合钢管桩施工与导向架设计

文章编号:1671-7619(2019)04-0140-05DOI :10.19776/j.gdgljt.2019-04-0140-05
外海复合钢管桩施工与导向架设计
陈永青,彭小亮
(广东省长大公路工程有限公司,广州510620)
摘要:港珠澳大桥深水区非通航孔桥采用110m 连续梁桥形式,全长6160m,共56孔,每墩均采用6根复合桩钢管,共330根,低墩区与高墩区桩径分别为2.0m 和2.2m㊂为满足复合桩钢管在海洋因子影响较大海域施工精度的要求,经比选采用整体式导向架法打设复合桩钢管㊂主要介绍基于整体式导向架的结构设计理念对结构进行了相应的验算,
确保结构在各种荷载作用下的强度㊁刚度满足相关规范要求;此外简要介绍了海上复合钢管桩的施工技术㊂关键词:港珠澳大桥;连续梁桥;复合桩钢管;整体式导向架
中图分类号:U445.31 文献标志码:B
作者简介:陈永青(1983.01-),男,大学本科,工程师,主要从事工程项目现场施工管理工作,E-mail:cygfey@㊂
1　工程概况
港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域,是连接香港特别行政区㊁广东省珠海市㊁澳门特别行政区的大型跨海通道,是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程,是我国继三峡工程㊁青藏铁路之后又一重大基础设施项目[1-2]㊂CB04合同段里程桩号为K22+083~K29+237,全长7154m,处于大桥主体工程桥梁工程的中部位置,包括通航孔桥(江海直达船)及深水区非通航桥两部分㊂深水区非通航孔桥上部结构采用110m 跨钢箱连续梁,以通航孔桥为界,东侧里程桩号为K22+083~K27+253,跨径组合7×(6×110m)+(5×110m)=5170m;西侧里程桩号为:K28+247~K29+237,跨径组合:5×110m+4×110m =990m㊂基础采用钢管复合桩,单墩桩基根数为6根,其中90#~131#㊁147#~151#墩共47个墩桩径D 2m /1.75m,桩长39~125m;132#~135#㊁143#~146#墩共8个墩桩径D 2.2m /1.95m,桩长50.0~105.4m㊂桥型布置如图1所示
㊂
图1　桥梁桥跨布置
2　导向架设计
考虑到海上风㊁浪㊁涌等不利海洋因子对复合钢管桩施工的影响,经比选采用整体式导向架法打设复合桩钢管㊂整体式导向系统主要由钢管桩支承系统㊁下导向平台㊁上导向架和调节装置组成㊂其整体结构如图2所示
㊂
图2　导向系统总体布置
(1)钢管桩支承系统:由2排6根ϕ2000mm×
22mm×45m 钢管桩及其上分配梁组成㊂钢管桩的
横桥向排间距为25m,距桥梁中心线的距离分别为
13m 和12m;纵桥向间距为6.25m㊂分配梁由3根25#工字钢组成,长度为15m㊂
(2)下导向平台:下导向平台支撑在钢管桩支承系统上,为变截面桁架结构,中心处桁架高度为
3.64m,支点处桁架高度为2.14m㊂桁架上下弦杆均为2H350×250×9×14mmH 型钢,腹杆为20#槽钢㊂
(3)上导向架:由底座㊁中间桁架和上导向框
架组成,桁架高度为7.79m㊂底座由2H350×250×
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广东公路交通
Guangdong Highway Communications
Vol.45No.4Aug.2019
9×14mmH 型钢形成平面框架结构;中间桁架竖杆为ϕ400mm ×6mm 螺旋钢管,水平杆及斜杆均为ϕ200mm×6mm 螺旋钢管;上导向框架由2H250×250×9×14mmH 型钢形成平面框架结构㊂
(4)调节装置:一个孔位利用8台30t 千斤顶
配合滚轮作为限位调节装置,上㊁下调节装置的竖
向间距为11.43m㊂
3　复合钢管桩施工技术
复合桩钢管打设施工主要分为整体式导向架
安装和复合桩钢管打设两个阶段㊂
3.1　整体式导向架安装3.1.1　支撑桩打设
支撑系统采用定位桩的结构形式,单个导向
架采用6根支撑桩进行支撑,支撑桩采用 长大海基”100m 桩基的打桩船进行施工㊂所打支撑钢管桩均为直桩,桩位对船位的影响不大,打桩船的布置主要考虑打桩顺序及水流变化的影响㊂牢锚船及运输船沿南北向平行于潮流方向㊂打桩船抛全方位锚,牢锚船抛八字锚,布置在打桩船的右侧并垂直于打桩船㊂船舶布置如图3所示
㊂
图3　打桩船平面位置布置
打桩船插打单根支撑桩的工序主要分为施工船舶就位㊁起桩㊁立桩㊁插桩㊁锤击沉桩五个阶段㊂打桩前,首先将打桩船GPS 定位系统与港珠澳大桥GNSS 连续运行参考站系统(HZMB CORS)进行连接,然后将钢管桩参数输入GPS 定位系统,直接显示所有要沉入的钢管桩图形㊂根据沉桩方案选定要沉的钢管桩编号,同时根据GPS 定位系统显示的数据,移动打桩船,使其到达指定位置,直至桩位满足规范要求后,下桩开打㊂支撑桩打设
示意如图4所示
㊂
图4　沉桩施工
3.1.2　导向平台安装
支撑桩打设完成后,接着进行抄平以及盖板
和分配梁的安装㊂导向架由专业加工厂家进行加工和预组拼,在码头进行拼装,通过平驳运输至施工现场海域㊂上㊁下导向平台均为空间桁架结构,下导向平台重量约为100t,上导向平台重量约为
60t,均由大型浮吊进行安装㊂导向平台安装如图5所示
㊂
图5　导向平台安装
3.2　复合钢管桩打设
复合钢管桩采用大型浮吊和IHC S-600液压
打桩锤进行吊打施工㊂3.2.1　吊桩及喂桩
钢管桩桩长最长为75.8m,考虑桩的变形,基
础桩采用三点吊,桩头侧焊接两个吊耳,桩中和桩底侧各焊接一个吊耳㊂吊点布置及起吊示意图如
图6所示
㊂
图6　钢管桩吊点布置
船尾与打桩船贴靠,钢管桩装船时,桩头放置在船头侧㊂打桩时,采用副钩进行桩基施打,吊桩时副钩吊桩头两个吊耳,主钩用一个100t 的滑车,
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总第163期
吊桩中和桩底两个吊耳㊂钢管桩吊离甲板后,副钩快速起钩,主钩缓慢起钩,让桩身缓慢立直,立直以后松主钩,副钩吊桩至龙口,进行下一步施工,如图7所示
㊂
图7　吊钢管桩入导向架
3.2.2　吊打钢管桩
利用IHC-S600液压打桩锤进行吊打钢管桩㊂
钢管桩吊打下沉应选择风速小㊁低潮期或流速较小的时间段㊂钢管桩按照以墩底为中心向四周对称施工的顺序进行插打㊂
副钩吊桩喂桩到导向架龙口以后,关闭龙口,测量校正桩位㊁桩垂直度,然后在龙口处固定好桩身,缓慢松副钩,在自重作用下下沉锚桩,下沉过程中监测桩的偏位和倾斜度并及时纠正㊂自重下沉到位后,复测桩位,若桩位误差过大,起吊桩,重新定位,直至满足设计要求㊂第1根复合钢管桩插打完成后,将其余5根钢管桩全部打设至导向架顶部以上3m㊂复合钢管桩插打如图8所示
㊂
图8　浮吊吊打钢管桩
3.2.3　拆除上导向架、复打以及钢管桩复测
利用浮吊将上导向架吊离,起吊液压打桩锤,
将6根桩逐根打设至设计标高,如图9所示
㊂
图9　拆除上导向架以及复打6根钢管桩至设计标高
6根钢管插打完毕后,采用三维激光扫描系统
测量桩顶平面坐标和倾斜度参数,供承台和墩身预制时调整承台中心与墩身中心偏差及倾斜度等几何关系使用㊂最后解除下导向平台与支承分配梁之间的连接,利用浮吊将其吊离至平驳上,转运至下一个墩㊂
4　导向架结构验算
4.1　荷载及计算工况确定
为模拟整体式导向架在钢管桩施工过程中的
受力情况,采用有限元分析方法对复合钢管桩施
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工过程中导向架的受力进行分析,选取两种工况进行模拟,得出各部件的受力结果㊂
工况一:第一根钢管桩吊入导向架内并调整好精度㊁入土前㊂
工况二:第一根钢管桩锤击至导向架顶部,通过4个调节千斤顶将导向系统与其抱紧;第二根钢管桩吊入导向架内并调整好精度㊁入土前㊂根据相关规范[3-5],结构分析荷载如表1所
示㊂钢管桩主要承受流水压力和波浪力,作用在导向系统的调节装置上㊂
表1　荷载组合
工况荷载组合
工况一
1.2×自重+1.1×风荷载+1.4×水流力+1.4×
波浪力+1.4×钢管桩传递的荷载工况二
1.2×自重+1.1×风荷载+1.4×水流力+1.4×
波浪力+1.4×钢管桩传递的荷载
4.2　有限元模型的建立
结构整体计算由MIDAS 有限元软件进行计算,
下导向平台与支撑分配梁的连接仅限制连接节点之间的相对位移,不限制其转动自由度;下导向平台与上导向架的连接仅限制连接节点之间的相对位移,不限制其转动自由度;在支承钢管桩的嵌固点位置设置固结边界条件;在钢管复合桩的嵌固点位置设置固结边界边界,其与导向系统的连接采用仅受压的连接(限于工况二),其整体结构模型如图10所示㊂荷载的加载按最不利的顺桥向考虑
㊂
图10　工况计算模型 4.3　计算结果及分析
整体式导向架结构有限元分析结果如表2~
表3㊁图11~图16所示㊂
表2　应力计算结果
工况最大正应力/MPa 最大剪应力/MPa
材料备注工况一11527Q345满足规范要求工况二
87
19
Q345
满足规范要求
表3　位移计算结果
工况最大位移/mm
备注工况一22.5满足规范要求工况二
23.6
满足规范要求
图11　工况一正应力计算结果(单位
:MPa)
图12　工况一剪应力计算结果(单位:MPa)
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总第163期
图13　工况一整体位移计算结果(单位
:mm)
图14　工况二正应力计算结果(单位
:MPa)
图15　工况二剪应力计算结果(单位
:MPa)
图16　工况二整体位移计算结果(单位:mm)
5　结语
港珠澳大桥CB04合同段深水区非通航孔桥
复合桩采用超长大直径钢管桩,在海洋环境恶劣的海域施工,复合桩钢管施工难度大,精度要求高㊂复合桩钢管打设采用了2层桁架整体式导向架法,整体式导向架刚度大,稳定性好;导向架架体通过与支撑桩及其上的分配梁形成可靠整体,限制导向架的平面位移㊂
本文介绍了整体式导向架的设计及超大直径钢管复合桩的施工技术,并对整体式导向架进行相关的结构验算㊂计算结果表明,整体式导向架结构可靠,整体刚度良好,满足施工要求㊂目前,港珠澳大桥已正式通车运营,不仅进一步从实践验证了钢管桩的施工质量,更为以后同类工程的
施工提供了经验借鉴㊂
参考文献:
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民交通出版社,2010.
(收稿日期:2019-02-22)
(下转第148页)
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人员应进行现场施工的巡检㊂特别是梁板预制施工本身就是一项集中生产活动,施工过程中的人员密度非常大,同时也涉及临时用电㊁高空作业等各个方面,因此施工管理与监督人员在具体工作中,也应立足于人员㊁机械㊁物料㊁施工方法㊁施工环境等各个方面的要素,甄别可能存在的施工风险与隐患,如发现存在施工隐患,应及时进行处理㊂
5　结语
预制箱梁施工技术在我国高速公路项目施工体系中具有较好的应用,同时整体施工工艺也包含了多个方面的内容㊂因此作为施工技术人员,应了解并掌握预制箱梁施工技术的各项内容,对于每一个环节的细节施工体系都有较为全面的认识与掌握㊂在这个过程中,施工技术人员还应结合具体的工程项目进行分析与探讨,并明确其他工程项目使用预制箱梁的过程中出现的各类问题,同时还要在具体工程中不断累积经验㊂
参考文献:
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(收稿日期:2019-04-25)
Special Construction Technology and Process of Precast Box Girder atLonghuai Expressway
SHI Yong
(Guangdong Guanyue Highway&Bridge Co.,Ltd.,Guangzhou511450)
Abstract:The construction technology of precast box girder in China has changed from the previous single process to the modern whole process construction,which has significantly improved the mechanization and modernization level of the whole construction technology system.In the current expressway construction system in China,prefabricated box girder is a very important construction module,which also determines the quality of the final project to a large extent.In this paper,the concrete application of prefabricated box girder construction technology in combination with specific project projects and project information has been explained,and the concrete construction content of each construction process and link has been introduced.Finally,the problems that should be paid attention to when using the special construction technology of prefabricated box girder have been discussed.
Key words:precast box girder;construction technology;construction process;
construction scheme
(上接第144页)
Design of Guiding Frame for Composite Steel Pipe Pile Construction in Open Sea
CHEN Yongqing,PENG Xiaoliang
(Guangdong Provincial ChangDa Highway Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou510620) Abstract:The non-navigable bridge in the deep water area of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge is a110m continuous beam bridge with a total length of6160m and56spans.Each pier uses six composite pile steel tubes with a total number of330.The diameters of piles in the low pier area and the high pier area are2m and2.2m respectively.In order to meet the requirements of construction accuracy of composite pile steel pipe in sea area where ocean factors have great influences,the integral guiding frame method has been adopted to construct composite pile steel pipe.In this paper,the structural design concept of integral guide frame has been introduced,and the corresponding checking calculation has been carried out to ensure that the strength and stiffness of the structure under various loads could meet the requirements of relevant codes.In addition,the construction technology of offshore composite steel pipe piles has been briefly introduced.Engineering practice has shown that the structure design of integral guide frame is reasonable, which could provide reliable experience for similar projects in the future.
Key words:hong kong-zhuhai-macao bridge;continuous girder bridge;composite pile steel tube;integral guide frame ㊃841㊃。