钢管复合桩在黄河流域桥梁工程中的应用_季卫红.pdf

公路 年月第期 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：钢管复合桩在黄河流域桥梁工程中的应用季卫红，许春荣，林昱，徐源庆（中交公路规划设计院有限公司北京市 ；中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司北京市 ）摘要：结合安阳罗山高速公路原阳郑州段黄河特大桥项目工程实例，从挖方量、施工周期、抗冲刷性能、可行性及抗震性能等方面，详细阐述了钢管复合桩在黄河流域桥梁工程中的应用，以期为保护黄河流域生态和绿色建造提供参考借鉴。关键词：黄河特大桥；钢管复合桩；黄河流域；绿色化施工工程应用背景安罗高速原阳郑州段项目是河南省委省政府谋划的河南省高速公路“工程”重点建设项目，项目起点位于新乡市原阳境兰原高速，向南跨越黄河湿地省级自然保护区，终点位于郑州市中牟境连霍 高 速，全 长 ，概 算 投 资 为 亿元。为深入贯彻 交通运输部办公厅关于实施绿色公路建设的指导意见（交办公路 号），以及贯彻落实黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要精神，安罗高速原阳郑州段项目在大量倡导并聚焦上部结构绿色建造技术的同时，提出了单幅设置两根钢管复合桩的高承载无承台的排架式下部结构设计方案。该结构以灌注桩后压浆和钢管复合桩两项技术为支撑，以灌注桩后压浆技术来提高单桩竖向承载力。钢管复合桩是将钢管核心混凝土桩作为共同作用的复合桩体，既能充分发挥钢管对内部混凝土的套箍作用，显著提高桩身抗弯承载力，使得桩基综合承载性能大大提高，从而大幅度降低基础规模；又能充分发挥钢材特性，提高桩身延性，提升抗震性能。黄河特大桥穿越黄河湿地自然保护区，为了减少施工对湿地环境的破坏，采用了钢管复合桩结构形式，这样可避免承台的设置和开挖，减少废弃物排放，对保持黄河水土、保护生态有重要意义。本文依托工程实例，基于黄河流域生态保护，对钢管复合桩在黄河流域桥梁工程中应用的优点进行逐一阐述，并对其在黄河流域桥梁工程中的可行性及抗震性能进行分析，以期为同类项目提供参考。工程概况安阳罗山高速公路原阳郑州段（兰原高速连霍高速）黄河特大桥是黄河流域最长的公路桥梁。大桥按双向八车道高速公路设计，设计时速为 ，桥面宽度为 。大桥全长约 ，由主桥、副桥、堤内引桥、跨堤桥、北堤外引桥组成。其中，主桥为双塔双索面组合梁斜拉桥，桥跨布置为 ；副桥为双边箱钢混组合梁，北副桥跨径布置为 ；南副桥跨径布置为（）（）。主、副桥桥型布置如图所示。主桥辅助墩、过渡墩及副桥下部结构采用混凝土柱式墩钢管复合桩的排架式结构。单幅桥下设根直径为 的变截面钢管复合钻孔灌注桩，桩间距为 ，上接根直径为 的混凝土圆柱式墩。下部及基础构造如图所示。主桥辅助墩、过渡墩以及南北副桥共有 根桩基，全部采用了钢管复合桩。复合桩钢管总长，内径为 ，壁厚为，钢管内设置剪力环。钢管桩进行外壁防护，采用高性能复合普通双层熔融结合环氧粉末涂层，内层为耐腐蚀型涂层，面层为抗划伤耐磨涂层，内层厚度 ，面层厚度 ，涂层总厚度 。钢管构造如图所示。单位：图主、副桥桥型布置示意单位：图下部及基础构造单位：图钢管构造钢管复合桩的优势对于常规的群桩基础，在陆地区需要进行放坡承台开挖，在涉水滩涂区需进行钢板桩围堰承台开挖施工，最后进行承台回填。为实现项目的总体绿色化施工，减少对黄河流域生态环境的影响，本项目结合上部结构的绿色建造技术，采用钢管复合桩作为桩基础。以下从几方面对该桩基形式的优势进行论述。挖方量对比以副桥基础为例，本项目采用的钢管复合桩桩基方案与传统的群桩基础方案在桩基钻渣、承台开挖及回填土方量等方面的对比见表。由表可 公路 年第期 年第期季卫红等：钢管复合桩在黄河流域桥梁工程中的应用知，本项目采用的桩基方案的桩基钻渣土方量较传统群桩基础方案少，且无承台开挖和见回填土方量，这表明其对桩基周边生态环境的影响较小，是绿色化施工的体现。表副桥基础开挖对比分析项目本项目采用方案传统群桩基础方案结构方案描述桩基钻渣承台开挖承台回填方案描述桩基钻渣承台开挖承台回填副桥单 幅 设 根 直 径 为 的排架式基础，全桥共计 根桩基，单桩长 单幅根直径为 的群桩基础，边长 ，矩形厚 ；承台 个，共计 根桩基，单桩长 施工周期对比砂土地质中 左右桩长的摩擦桩单桩成桩时间大约为 ，有护筒部分由于无塌孔问题其工效可进一步提升。桩基的施工周期主要受桩基数量控制，桩长对工效的影响较小。为提高施工工效，下部结构应尽可能地减少桩基数量，同时减少承台施工。简化墩身施工可以大幅度提升下部结构的施工工效，减少设备投入，从而减少施工成本。本项目采用的钢管复合桩方案的桩基数量与传统群桩方案的桩基数量对比见表。由表可知，本项目采用方案的桩基数量仅是传统群桩方案桩基数量的一半，可明显提升施工工效，缩短施工周期，从而有效减少施工对对黄河流域生态系统的干扰时间。表桩基数量对比分析项目本项目桩基方案数量个传统群桩方案数量个主桥过渡墩、辅助墩 南副桥 北副桥 合计 抗冲刷性能对比根据地质勘察资料可知，本桥位河段冲刷明显，副桥部分从目前地面高程起算冲刷深可达。深冲刷会导致桩基外露，短期内可能不影响结构安全。但长期的冲刷及风化将不可避免地造成混凝土剥落及钢筋外露等桩基问题，如图所示，影响桩基结构的安全性能，从而需投入额外成本进行检测加固。为此，从黄河本身诸多不可预见因素出发，钢管复合桩的桩基外圈钢管采用高耐磨可复涂涂层。这种技术方案可抵抗设计周期内的可能腐蚀，并可避免深冲刷及河道变迁对桩基带来的诸多不利影响，是实现桥梁结构全寿命周期安全服役的较好解决方案。图桩基外露腐蚀 工程实例钢管复合桩已在国内多个跨江跨海项目中得到应用，并取得较好的工程效果。国内已采用钢管复合桩的工程项目统计见表。表国内钢管复合桩工程实例序号工程名称地点通车年份港珠澳大桥珠港澳 年苏通长江大桥江苏 年秀山大桥浙江舟山 年宁波舟山港主通道浙江舟山 年鱼山大桥浙江舟山 年千岛湖大桥浙江杭州 年泉州湾大桥福建泉州 年遂宁涪江六桥四川待建钢管复合桩可行性及抗震性能分析 可行性分析本项目桥位所处的黄河流域以砂土地质为主，采用液压振动锤插打钢护筒施工，振动锤激振力大于土的摩阻力才能在桥位处将钢护筒沉放到位。以直径 长 钢护筒振动插打为例，选用台 型液压振动锤，其额定激振力 大于桥位处土体的摩阻力（，计算结果见表），满足该项目工程的插打要求。施工实景如图所示。表摩阻力计算结果地层底层标高层厚静摩阻力 钢管周长摩阻力 泥面高程 细砂 细砂 粉质黏土 细砂 细砂 粉质黏土 砂层液化系数 振动下沉力合计 图钢管复合桩施工实景 抗震性能分析钢管复合桩属于钢混组合结构，是一种“钢管核心混凝土桩”共同受力作用的复合型桩，具有较好的抗震性能，在相同地震作用的情况下可以有效减少截面配筋和截面尺寸。为进一步分析钢管复合桩的抗震性能，对比分析了其与种不同截面尺寸及配筋率的混凝土桩基的截面承载力。种不同桩基的具体截面参数见表。表桩基截面参数截面编号截面形式桩基直径钢管厚度桩基配筋率钢管复核桩 混凝土桩 混凝土桩 混凝土桩 考虑到环境对钢管复合桩的腐蚀作用，钢管复合桩的计算厚度按 考虑，钢管复合桩的验算截面如图所示，最不利组合作用下的曲线如图所示；不同桩基截面的抗弯承载能力如图所示，其中计算时采用的轴力均为恒载和地震作用下的最不利组合。图钢管复合桩验算截面图弯矩曲率曲线（曲线）公路 年第期 年第期季卫红等：钢管复合桩在黄河流域桥梁工程中的应用图不同桩基截面承载能力对比由图可知，钢管复合桩（截面）的截面抗弯承载能力最大。对截面来说，其截面尺寸和钢管复合桩相同，但当其桩基配筋达到 时的抗弯承载力仍低于钢管复合桩，初始屈服弯矩仅为钢管复合桩的，等效屈服弯矩仅为钢管复合桩的；且在此配筋时钢筋布置较为困难，需要布置直径 的束筋。对截面来说，其截面面积相比于钢管复合桩增加了，截面配筋增加了，但其截面抗弯承载能力仍然低于钢管复合桩。对截面来说，其截面面积比钢管复合桩增加了，截面配筋基本相当，但其截面抗弯承载能力同样略低于钢管复合桩。由此可见，钢管复合桩在抗震性能方面优势较大，在相同抗震需求的情况下可有效减小截面尺寸和截面配筋。其中，当截面尺寸相同时，截面配筋率可减小 以上；当截面配筋率相同时，截面面积可减小 以上。综合上述钢管复合桩在黄河流域的应用优势、可行性及抗震性能分析确定，本项目主桥过渡墩、辅助墩及副桥下部结构均采用无承台的桩柱式钢管复合桩结构型式。结语钢管复合桩是“钢管核心混凝土”共同受力作用的复合型桩，其独特的受力结构既能充分发挥钢管对内部混凝土的套箍作用，提高综合承载力，降低基础规模；又能充分发挥钢材特性，使桩身抗震性能更优。这种独特的结构形式能够有效避免承台的设置及承台开挖回填过程中对桩基周边生态环境的影响，最大限度地保持黄河水土、保护黄河生态，践行生态环保、绿色建造的理念。参考文献：安阳至罗山高速公路原阳至郑州（兰原高速至连霍高速）段两阶段施工图设计中交公路规划设计院有限公司，河南省交通规划设计研究院股份有限 公司 罗永传，邹晓丹，谭逸波，等 大直径钢管复合桩试桩试验研究公路交通科技：应用技术版，（）：李孟臣钻孔灌注桩后压浆提高单桩竖向承载力试验研究 天津建设科技，（）：柳亮老河床处深基础工程施工技术智能城市，（）：张东山，李向东基于填土平台工艺的钢板桩围堰施工筑路机械与施工机械化，（）：张贤慧，方大庆，钟承珠，等海洋工程装备重防腐涂料的应用研究南方能源建设，（）：中国公路学报 编辑部中国桥梁工程学术研究综述 中国公路学报，（）：王荣菊，杜云晶建筑桩基单桩承载力计算方法分析工程建设与设计，（）：