中美標準中鋼管樁樁芯混凝土設計方法對比分析

宮云增，孔令臣

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461）

0 引言

碼頭樁基是將上部荷載向持力層傳遞的重要結構，而鋼管樁與上部結構連接主要依靠樁芯混凝土，樁與樁芯混凝土連接的細部設計是保證樁基結構設計安全的關鍵，因此，充分利用國內外規范尋找切實可行的計算方法并能保證施工的連接方式是樁基設計不可避免的重要步驟。國外樁芯混凝土設計理論成型較早，之前國內計算理論主要借鑒國外規范[1]，目前，國內已有明確的設計規范，而在對比分析方面，國內的研究尚屬空白。本文結合孟加拉馬塔巴里超臨界燃煤電廠配套碼頭項目樁芯混凝土施工，對比了國內外標準下樁芯混凝土的計算、樁芯混凝土的連接構造方式，對于今后設計參考價值較大。

1 工程概況

孟加拉馬塔巴里超臨界燃煤電廠配套碼頭項目[2-3]，包含油品兼重件碼頭和煤碼頭各1座，碼頭結構為高樁梁板結構，碼頭頂面標高為+5.0 m。基樁采用SKK490鋼管樁，直徑914 mm，壁厚16 mm。

2 國內外標準下樁芯結構設計

2.1 國標中樁芯混凝土與鋼管樁的連接形式

根據JTS 167—2018《碼頭結構設計規范》[4]第4.4.10條規定，樁頂錨固形式，有經驗時，也可采用樁頂部設置樁芯混凝土的連接方式，樁芯混凝土的長度、配筋應滿足受力要求。但沒有明確具體的計算理論，故本文國標中樁芯混凝土的計算主要依據CECS 28：2012《鋼管混凝土結構技術規程》[5]。

根據《鋼管混凝土結構技術規程》[5]可知以下內容。

2.1.1 鋼管與管內混凝土界面的剪力傳遞設計

1）鋼梁與鋼管混凝土柱連接節點的鋼管與管內混凝土界面的剪力傳遞應滿足：

2）當不能滿足式（1）、式（2）要求時，應在剪力傳遞區內的鋼管內設置抗剪連接件，并應滿足：

式中：Vb為鋼管與管內混凝土界面傳遞的剪力，可取梁端剪力設計值；Vu1為鋼管與管內混凝土界面剪力傳遞區的黏結受剪承載力；Nu1為管內抗剪連接件部位混凝土的局部承壓承載力；γRE為承載力抗震調整系數。

3）鋼管與管內混凝土界面剪力傳遞區的長度可取為鋼管直徑的2倍即2D（頂層可取D），模型見圖1。剪力傳遞區的黏結受剪承載力可按式（5）計算（頂層可取式（5）計算值的1/2）：

圖1 界面剪力傳遞區Fig.1 Interfacial shear transfer region

式中：D為鋼管樁直徑；τ0為鋼管與管內混凝土界面的黏結強度，可按照表1取值。

表1 鋼管與管內混凝土的黏結強度Table 1 Bonding strength between steel tube and concrete in pipe

4）鋼管混凝土柱在其組合界面附近受壓時受力效果圖如圖2，圖2中（b）和（c）為設置的兩種混凝土樁芯剪力鍵結構形式，圖2（b）為連續剪力鍵結構，圖2（c）為非連續剪力鍵結構，兩種斷面形式計算原理相同，局部受壓承載力設計值應按式（6）計算：

式中：N0為局部受壓段的鋼管混凝土短柱軸心受壓承載力設計值；A1為剪力鍵局部受壓面積；AC為鋼管內核心混凝土的橫截面面積；NC為非局部作用的軸向壓力設計值；ω為考慮局部受壓應力分布狀況的系數，當局部受壓應力為均勻分布時，取ω=1；當局部受壓應力通過與鋼管內壁焊接的柔性抗剪連接件作用于混凝土時，取ω=0.75。

當局部受壓承載力不足時，應該將局部受壓區段（等于鋼管直徑的1.5倍）的管壁加厚，予以補強。

2.1.2 構造要求

抗剪環可采用通過雙面角焊縫焊接于鋼管壁外表面的閉合鋼筋環或閉合帶鋼環，焊接效果如圖3。鋼筋直徑d不應小于20 mm；帶鋼厚度b不應小于20 mm，帶鋼高度h不應小于其厚度。每個連接節點的抗剪環不應少于2道。設置2道抗剪環時，一道可在距框架梁底50 mm的位置且宜盡可能接近框架梁底，另一道可在距框架梁底1/2梁高的位置。

圖3 抗剪環構造示意圖Fig.3 Shear ring structure diagram

2.2 美標中樁芯混凝土與鋼管樁的連接形式

2.2.1 連接形式

根據API-RP-2A-LRFD—1993《海上固定平臺的規劃、設計和建設——荷載設計手冊》[6]第7.4條規定，僅受軸向力作用的樁與上部結構的連接有2種方式（荷載與抗力系數法設計）：

1）素混凝土連接：鋼管樁與樁芯混凝土之間額定容許荷載傳遞應力規定如下：fba=0.248 MPa。

2）剪力鍵連接（圖4）：鋼管樁與樁芯混凝土之間的額定容許荷載傳遞應力按式（7）計算：

圖4 剪力鍵布置圖Fig.4 Shear key layout

式中：fcu為混凝土的無側限抗壓強度，MPa；h為剪力鍵的突起高度；s為剪力鍵的布置間距。

2.2.2構造要求

構件尺寸的適用條件：

樁芯混凝土的無側限抗壓強度：

2.3 設計數據比對

本項目設計規范采用日標、美標。樁基采用SKK490鋼管樁，直徑為914.4 mm，壁厚16 mm，樁頂深入混凝土0.1 m，樁芯混凝土長度為2 m，設置2組剪力鍵。地震工況樁頂內最大拔樁力設計值為：P=2 901 kN，正常工況樁頂內最大拔樁力設計值為：P=2 250 kN。國標與美標下樁芯混凝土與鋼管樁黏結力對比見表2，不同工況下樁芯混凝土長度計算值見表3。

表2 樁芯混凝土與鋼管樁黏結力對比Table 2 Comparison of cohesion between pile core concrete and steel tubular pile

表3 樁芯混凝土長度計算Table 3 Pile core concrete length calculation

3 樁芯混凝土施工

3.1 施工工序

自下而上施工工序主要為：沉樁→澆筑樁芯混凝土→樁帽預制安裝或現澆→縱橫梁（U形槽）預制安裝→U形槽內鋼筋混凝土結構現澆→靠船構件預制安裝→碼頭面板預制安裝→面板接縫現澆→碼頭面層現澆附屬構件安裝施工[7-8]。

樁芯混凝土采用水上方駁吊機組+吊罐澆筑混凝土的工藝施工。

3.2 樁頭割除

施工前測量人員采用水準儀在每根需要割除的樁身進行標高放線，并采用紅色油漆做標識。

施工人員乘坐快艇拖帶施工浮筏移至需要切割的鋼管樁樁位，并將管樁卡入浮筏凹槽內固定浮筏，形成施工作業平臺。浮筏上焊接腳手架進行接高，退潮時水位與截樁標高高差較大，在浮筏上滿鋪踢腳板進行架高。現場采用離心泵將鋼管樁內水抽至割除部位以下，按照紅色油漆標記進行切割施工。切割完成后，采用氣割在距鋼管樁頂10 cm以下切割直徑2 cm的圓孔，采用50 t方駁吊機將樁頭吊除，吊放至1 000 t方駁上，由拖輪拖運方駁至臨時碼頭，倒運至陸域存放。

3.3 吊放樁芯鋼筋籠

鋼筋籠在預制場內的鋼筋加工場制作，鋼筋籠采用加勁筋成型法制作，加勁筋通過胎具嚴格按照設計尺寸制作，在上面標記出各主筋的位置，在水平工作臺上按設計要求放置并點焊連接主筋，直至完成鋼筋籠的制作。

鋼筋籠底托采用10 mm厚鋼板制作，鋼板通過L形鋼筋與鋼筋籠主筋焊接，焊接方式采用雙面焊，焊縫長度為15 cm，選用的鋼筋型號為25 mm圓鋼，共設置4處連接點。

在鋼筋籠上端對稱設置2個掛鉤，掛鉤采用直徑25 mm圓鋼，掛鉤與主筋進行單面焊接連接，焊縫長度不小于25 cm，與掛鉤焊接的主筋需與固定鋼板L形鋼筋焊接的主筋一致。

鋼筋籠加工完成后通過板車運輸至臨時碼頭，100 t履帶吊將鋼筋籠吊放至1 000 t方駁上運輸至施工部位，作業人員乘坐交通船配合50 t方駁吊機組進行鋼筋籠吊放施工。

3.4 樁芯混凝土澆筑

3.4.1 現澆樁帽樁芯混凝土澆筑

混凝土澆筑前，采用離心泵抽除樁內積水至樁芯混凝土底標高以下。混凝土采用吊罐進行澆筑。樁芯混凝土高度約3 m，為防止混凝土自由傾落高度大于2 m而發生離析現象，混凝土澆筑前在鋼管樁上部設置長2 m的串筒，串筒通過掛鉤掛在鋼管樁頂部。混凝土陸上運輸至臨時碼頭，由100 t履帶吊將吊罐吊放至1 000 t方駁上，采用方駁將混凝土運輸至混凝土澆筑部位，采用50 t方駁吊機組進行混凝土澆筑施工。

3.4.2 預制安裝樁帽樁芯混凝土澆筑

預制樁帽樁芯混凝土需等待樁帽安裝完成后，樁芯與樁帽預留安裝孔同時澆筑。

至此，樁芯混凝土澆筑完成。

3.5 不同標準下樁芯混凝土施工異同點

1）不同標準下樁頭切割、鋼筋籠制作吊裝工藝相同，施工所需設備幾乎相同；

2）采用美標時樁芯混凝土長度較長，混凝土澆筑需采取措施防止離析，且混凝土用量大，趕潮施工時對于時間控制要求高，且長時間水上作業對于安全要求高；國標在此方面優勢較大；

3）本項目設計采用了美、日標，因此，采取了能夠滿足設計要求的施工設備及措施，最終現場實施效果良好，但相較于國標的投入增大。

4 結語

1）對于素混凝土的連接方式，國標的樁芯混凝土與鋼管樁的黏結力比美標高，但國標對鋼管與管內混凝土界面剪力傳遞區的長度進行了限定（可取2D），美標對此無限定。

2）對于剪力鍵的連接方式，國標樁芯混凝土的計算與剪力鍵的局部受壓面積相關，美標則與剪力鍵的突出高度和布置間距相關。

3）美標API規范中，適當設置剪力鍵會顯著提高樁芯與混凝土之間的黏結力，對剪力鍵的布置個數沒有詳細說明，且該計算主要針對海洋平臺鋼套筒結構形式，剪力鍵布置在鋼管樁與鋼套筒環形空間內。對于高樁碼頭鋼管樁有剪力鍵的樁芯混凝土計算，需謹慎考慮。