田安大橋支架鋼管樁設計與施工

劉明軍，林志軍

(中交一公局廈門工程有限公司,福建廈門 361021）

1 工程概況

泉州市田安大橋主橋為上承式梁拱組合橋梁，橋跨布置為（50+160+50）m。上部結構采用雙幅分離、三跨連續結構體系（見圖1）。上部結構為主梁與拱面組合整體承載，為鋼結構。下部結構采用鉆孔樁基礎，為混凝土結構。

田安大橋主橋雙幅分離式，兩幅橋間距1 m，單幅橋寬為17.75 m，全橋總寬度為36.5 m。主梁劃分為 A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L 共 12 種類型，66個制造梁段（見圖2）。制造梁段長度為6.6 m～10.5 m，梁段重量為 58.4 t～219 t。

2 工程地貌與地質

該工程地貌屬晉江中下游沖洪積、海積平原地貌。地面標高一般在3.500 m～8.000 m左右。巖土體共分為6大層。場址區地層自上而下依次為：第四系全新統長樂組沖洪積層的粉質粘土、砂土、碎石土（Q4al-pl）、海積層淤泥（Q4m）、殘積礫質粘性土（Qel），下伏基巖為燕山晚期侵入的花崗巖（γ53（1）b）。

2.1 水文特性

據泉州市水文局資料：石礱水文站近20 a記錄的晉江每年最大流量為1 350 m3/s～6 180 m3/s，2000年的最大流量為歷年之最。泉州大橋水文站自建站以來最大潮位年份為2001年，最大潮位為4.71 m（1985年黃海高程）。

2.2 水文地質

沿線地表水主要有晉江水系，水量豐富，河水量隨季節變化較大，受海潮影響；晉江南岸及零星分布的池塘等。其水文地質參數見表1所列。

3 支架鋼管樁設計計算

3.1 鋼管樁承載力確定

橋梁拱面范圍的梁段吊裝所用支架采用8根

拱面范圍梁段吊裝支架鋼管承受平均荷載：P=186.9/8=23.36（t）；

L梁段拼裝支架鋼管承受平均荷載：P=219/12=18.25（t）；

單根鋼管樁最大受力為23.36 t（支架鋼管最大自重為3.9t，GA拱肋處）。

橋梁上部構造施工工況復雜，為保證支架鋼管樁穩定，對管樁設計最大承載力予以提高。

P=23.36×10×2=467.2（kN）

鋼管樁樁底承載力均按照550 kN控制設計。

3.2 鋼管樁打入深度計算

橋址區域內的土層主要分布為淤泥、粉砂、粉質粘土、中砂、卵石、全風化花崗巖，各土層的分布情況、分布位置及物理特性如表2所列。

根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）中5.3.3-3式，沉樁的承載力容許值為：

式中：u——樁身周長，u=πD=π×0.61=1.916 m；

N——土的層數；

li——承臺地面或局部沖刷線以下各土層的厚度，m；

qik——與li對應的各土層與樁側極限摩阻力

標準值，kPa，按表5.3.3-4取用；

qrk——樁端處的承載力標準值，kPa，按表

5.3.3-5取用；

αi、αr——分別為振動沉樁對各土層對樁側摩阻力和樁端承載力的影響系數，對錘擊、靜壓樁其值均取1.0。經過計算，得出:1＞hc/d

式中：hc——樁端進入持力層的深度，

m；d——樁的直徑，m。

圖1 田安大橋立面布置圖（單位：cm）

圖2 結構立面布置圖（縱向半幅）（單位：cm）

表1 晉江水文地質參數表（20 a一遇）

圖3 支架總體布置圖（單側）

圖4 支架橫斷面示意圖

圖5 支架縱斷面示意圖

表2 河床地質情況匯總表

查表5.3.3-5沉樁樁端處的承載力標準值，得出：

qrk=4 000 kPa（參考中密圓礫石），考慮主河槽的沖刷深度3.3 m。

1#過渡墩R位置：樁端進入卵石層深度hc=0.03 m；hc/d=0.05。

1#過渡墩L位置：樁端進入卵石層深度hc=0.41 m；hc/d=0.67。

2#主墩位置：樁端進入卵石層深度hc=0.6 m；hc/d=0.98。

3#主墩位置：樁端進入卵石層深度hc=0.52 m；hc/d=0.85。

各段樁基入土深度（從河床算起）及樁底高程如表3所列。

根據以上計算，支架鋼管樁施工時Φ610 mm鋼管樁的入土深度為(從河床底計算)：

1#過渡墩R位置：入土按15.75 m控制，下料長度22 m。

1#過渡墩L位置：入土按14.45 m控制，下料長度23 m。

表3 樁基入土深度及樁底高程表

2#主墩位置：入土按11.6 m控制，下料長度23 m。

3#主墩位置：入土按14.85 m控制，下料長度20 m。

3.3 鋼管樁軸心受壓穩定計算

鋼管樁（Φ610mmδ8mm）截面積A=15130mm2，回轉半徑i=212.9 mm，構件截面分類為a類。GA拱肋處安裝支架高度最大，作為驗算長度，離水面高度11.8 m，鋼管樁樁頂以下部分至河床沖刷面高度為：

H=4.2-（-7.22-3.3）=14.72（m）

鋼管樁水下部分長度的最大長細比為：

λ=14.72×1 000/212.9=69

查表得出壓桿穩定系數φ=0.844，則鋼管樁軸向受壓容許荷載為：

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

3.4 鋼管樁水平荷載作用計算

鋼管樁入土后，其泥中部分作為固定端，水中部分作為懸臂端，受到潮流、風力、波浪等水平力作用，在泥水交接面處鋼管樁產生最大彎矩，對其應力進行驗算。

3.4.1 潮流作用（見圖6）

根據《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010），采用13.0.1公式計算潮流對鋼管樁的作用力（計算取年平均最高水位，管樁在水中長度最大）：

式中：Fw——水流力標準值，kN；Cw——水流阻力系數，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——水流設計速度，m/s，退潮最大流速

1.21 m/s；

A——計算構件在與流向垂直平面上的投影面積，m2,鋼管樁最大水下長度為14.72 m（含沖刷厚度 3.3 m），A=14.72×0.61=9.0（m2）。

圖6 潮流對鋼管樁作用簡化示意圖

圖7 風荷載對鋼管樁（水面以上部分）作用簡化示意圖

潮流對鋼管樁的作用力為：

集中力作用點在樁頂以下1/3高度處（13.0.4條第2點）。根據以上計算得出水流力對鋼管樁（泥水交界處）產生的彎矩為：

M=F×l=4.8×14.72×（2/3）=47.1（kN·m）

支架鋼管樁水中部分與龍門吊軌道鋼管樁相同，根據以上計算得出水流力對鋼管樁（泥水交界處）產生的彎矩為：

M=F×l=4.8×14.72×（2/3）=47.1（ kN·m）

3.4.2風力作用

鋼管樁計算高度取平均年最高水位標高，對拼裝支架的鋼管露出水面部分進行風荷載計算。

根據設計文件，取臨時結構20 a一遇設計風速。根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/TD60-01-2004），查附表A取福建崇武100 a一遇的設計風速換算，查表3.3.1取換算系數，經計算得出：

V10=38.4×0.88=33.8（m/s）

根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01-2004），第4.4.3條規定，作用于橋墩或橋塔上的風荷載可按地面或水面以上0.65倍墩高或塔高處的風速值確定，經過簡化轉換，風荷載作用如圖7所示。

鋼管樁離水面最大高度為11.8 m，采用如下公式計算風荷載對拼裝支架鋼管的作用力（單根鋼管樁）：式中：FH——風荷載，N；

Ρ——空氣密度，kg/m3，取1.25；

Vg——靜陣風風速，m/s；

CH——橋梁阻力系數，查 表4.4.2取值，D×V10≥6 m2/s，高寬比為 19.3，鋼管離水面高度11.8 m，CH=0.6；

An——橋梁各構件順風向投影面積，m2，鋼

管頂離水面高度H=11.8 m，鋼管Φ610 mm，An=11.8×0.61=7.2（m2）；GV——靜陣風系數，查 表4.2.1取值，該處為

A類，取值GV=1.29；

VZ——基準高度Z處的風速，m/s，即Vd；

V10——基本風速，m/s，查附表A和 表3.3.1

取值計算；

K1——風速高度變化修正系數，查表3.2.5取值，

該處為A類，根據第4.4.3條，折算系數為0.65，換算后的離水面高度為7.7 m。

3.4.3波浪作用

橋址處現場波浪較小，故計算時不考慮波浪作用力。

3.4.4支架鋼管樁水平力作用

支架鋼管受到的水平力主要有水流力和風荷載，最不利受力狀態為兩者疊加作用。根據以上計算，水流力對鋼管樁（泥水交界處）產生的彎矩為：

M=F×l=4.8×14.72×（2/3）=47.1（kN·m）

風荷載對鋼管樁（泥水交界處）產生的彎矩為：M=F×l=6.7×（11.8×0.65+14.72）=150.0（kN·m）水平力總和F=4.8+6.7=11.5（kN）

彎矩總和 M=150.0+47.1=197.1（kN·m）

鋼管樁Φ610 mmδ8 mm，各項參數：截面積A=15 130 mm2，截面抵抗矩 W=2 247 585 mm3。

鋼管在泥水交界處產生的應力為：

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！

可得樁的最大彎曲應力為87.7MPa。以上計算為單根鋼管樁在打入土中后抵抗水流、風力的能力。支架（一組4根鋼管）搭設完成后，鋼管樁之間，以及和上部結構之間采用工字鋼等連接形成框架，其整體穩定性大大提高。該計算工況為鋼管樁的最不利狀態，由此得出鋼管樁滿足施工和使用要求。

4 支架鋼管樁施工

4.1 鋼管樁制備

4.1.1鋼管樁的加工和制造

鋼管樁采用Q235鋼板在專業鋼結構加工廠制作。為方便施工，每節長度為12 m，接樁在現場進行，采用焊接接頭，避免接頭處于局部沖刷線附近。

鋼管的連接采用電焊對接，焊縫型式為V字型坡口焊，焊縫高度應高出鋼管面2 mm，焊縫寬度不小于2倍的鋼管壁厚。

對接焊縫的外側沿四周加焊6塊鋼板加勁塊，加勁塊鋼板的厚度不小于鋼管壁厚，長度不小于200 mm，寬度不小于100 mm，加勁塊與鋼管滿焊連接。

4.1.2鋼管樁的運輸

鋼管樁構件運輸最大長度12.0 m，構件單重約為2.1 t。構件在出廠前標上重量、重心和吊點的位置，以便吊運和安裝。利用掛車運至施工現場，在運輸過程中應固定好，防止滑落發生事故。

鋼管樁應按不同的規格分別堆存，堆放層數和形式應安全可靠，為防止滑動，鋼管樁兩側用木楔塞緊。為避免鋼管樁產生縱向變形和局部壓曲變形，堆放場地盡量平整、堅實且排水暢通。為方便鋼管樁的吊裝，根據鋼管樁使用的先后順序確定鋼管樁的擺放位置。

平板車上設置運輸臺架，將鋼管樁整體架空，整長運輸。在鋼管樁的起吊、運輸和堆存過程中，應盡量避免由于碰撞、摩擦等原因造成的管身變形和損傷。

4.1.3鋼管樁的驗收

進場時應有合格的“質量檢驗證明書”，進場后應按現行標準進行抽檢、復驗，表面不得有裂縫、氣泡、起鱗、夾層等缺陷。為防止鋼管樁插打過程中下口變形卷曲，影響插打深度，鋼管樁均采用閉口樁，以增大鋼管樁的剛度及鋼管樁樁端承載力。

鋼管樁檢查驗收時表面不得有氣孔、裂紋、弧坑、夾渣等，有焊瘤時需用砂輪打磨，并需補焊，補焊后也需用砂輪打磨。焊縫允許超高不大于3 mm，對接焊縫表面各焊道交界處在凹溝時最低點不得低于母材表面。

（1）鋼管樁管節制造完畢后，檢查其外型尺寸，應符合：

橢圓度：允許0.5%D，且不大于5 mm(D為鋼管樁外徑)；

外周長：允許±0.5%C，且不大于10 mm(C為鋼管樁周長)；

管端平面傾斜：允許0.5%D，且不大于4 mm(D為鋼管樁外徑)。

（2）鋼管樁對口拼裝時，相鄰管節的管徑偏差不大于2 mm，對口板邊高差不大于1 mm。

（3）鋼管樁對接焊縫允許偏差：

咬邊：深度不超過0.5 mm，累計總長度不超過焊縫長度的10%；

超高：不大于3 mm。

（4）對口接長后，鋼管樁外形尺寸的允許偏差：樁長偏差：+300 mm，0 mm；

樁軸向彎曲矢高：允許0.1%L，且不大于30 mm(L為鋼管樁長度)。

4.1.4鋼管樁的接長

鋼管樁接長前，將焊縫上下30 mm范圍內的鐵銹、油污、水汽和雜物清除干凈。鋼帶對接焊縫與管節端部的距離不小于100 mm。對接環縫焊完后沿樁周均布加焊六塊200 mm×100 mm的加勁鋼板，以增強鋼管樁整體剛度。鋼管樁接長后，根據長度及時編號。

4.1.5鋼管樁防腐處理

因龍門吊軌道基礎上部長期暴露在空氣中，下部浸泡在水中，水和潮濕的空氣對鋼管的腐蝕性較大，且使用周期長，因此鋼管施打前需全段進行粉刷乳化瀝青防腐處理。

4.2 鋼管樁施工

（1）沉樁之前，將震動打樁錘與鋼管樁通過夾持器連接，檢查兩者豎直中心線是否一致，樁位是否正確，樁的垂直度是否符合規定。

（2）在確定鋼管樁樁位、垂直度滿足要求后，開動振動錘施打。每根鋼管樁的下沉應一氣呵成，中途不得有較長時間的停頓，以免樁周土擾動恢復造成沉樁困難。鋼管樁下沉過程中，及時檢查鋼管樁的傾斜度，發現傾斜及時采取措施調整，必要時停止下沉，采取其它措施進行糾正。

（3）鋼管樁下沉過程中，隨時觀察其貫入度，當貫入度小于5 cm/min時，應停振分析原因，或用其它輔助方法下沉，禁止強振、久振。

（4）鋼管樁插打采用樁端承載力和入土深度雙控。施工中應確保鋼管樁的入土深度，并可視設計樁尖處的貫入度適當調整鋼管樁樁底標高。

（5）打樁施工完成后，檢查鋼管樁的偏斜及入土深度，鋼管樁的垂直度控制在不大于1%，樁中心偏差在50 mm以內。

（6）鋼管樁垂直度和深度滿足設計要求后，在每排鋼管樁之間安裝樁間橫向聯接系和剪刀撐，同時焊接樁帽，安裝樁頂分配梁，樁頂分配梁應與樁帽焊接牢固。

4.3 鋼管樁接樁、截樁和廢樁

4.3.1接樁

如因打樁設備限制或其它地質因素，致使單根鋼管樁無法達到設計深度或所需承載力時，須采取接樁方式處理。接樁時應先將下段樁打至樁頭高出地表或水面至少50 cm，再將上段樁吊置于其上，并用經緯儀檢測其垂直度無誤后，按照設計圖或工程師指示原則，于接頭處實施全周長電弧電焊。接頭焊接前除應嚴密檢查有無油污、銹屑、涂料并保持密接外，焊接及檢驗方式還應符合相關規定。焊接完成后，須待焊接處冷卻后才可繼續打樁。

4.3.2截樁

所有樁應盡量照規定打至設計高程，以避免截樁。若因地質因素確實無法打至設計高程或接樁部分超過設計樁頂高程時，須將超出設計高程之樁長截除。

4.3.3廢樁

打樁過程中，致使樁頭或樁身過分受力損壞，或打樁完成后之垂直度偏差等參數超出規定容許值，經研判無法補救者，均以廢樁處理。廢樁應在側面補樁，所補管樁能滿足整體結構要求即可。

5 結語

田安大橋主橋的支架鋼管樁正在實施，使用效果良好。

[1]JTS 144-1-2010，港口工程荷載規范[S].

[2]JTG/T D60-01-2004，公路橋梁抗風設計規范[S].

[3]董軍，曹平周.鋼結構原理與設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.