强涌潮水域Φ4.1m超大直径钢护筒沉放导向框的设计

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摘要：以杭州湾水域嘉绍跨江大桥桩基Φ4.1m超大直径钢护筒施工为例，介绍超大直径钢护筒的导向框设计的一些思路，初步探讨强涌潮水域复杂水文条件下超大直径钢护筒导向装技术及控制要点。

关键词：Φ4.1m钢护筒强涌潮水域导向框设计

1、前言

由于桥梁钻孔灌注桩设计呈大直径、大孔深发展趋势，目前直径大于Φ2.5m、孔深超过100m的桥梁桩基已较为常见，有的桩径甚至已超过Φ3.5m。这导致钢护筒的直径及长度也随着日益加大，有的工程还将钢护筒纳入结构永久受力，对其制作、运输及沉放技术要求也大为提高，特别是在特大型跨江、跨海深水桥梁的钻孔灌注桩施工中，钢护筒已成为影响桩基施工质量的关键环节之一。笔者结合杭州湾水域嘉绍跨江大桥工程，介绍Φ4.1m超大直径钢护筒导向框设计思路，初步探讨在强涌潮水域复杂水文条件下超大直径钢护筒施工技术及控制要点，以供业内同仁参考。

2、工程背景

2.1、工程概况

嘉绍跨江大桥引桥下部结构采用单桩独柱的结构形式，墩桩直接相连，无承台或系梁。桩基础采用了直径Φ3.8m钻孔灌注桩，每墩左右线各设1根，全桥共设置了150根。单桩孔深达118m，桩顶标高-3.00m，基本与河床面平齐，桩基成孔施工采用内径Φ4.1m钢护筒。这种结构型式设计，主要是为了适应桥位区复杂的水文条件，减小阻水率，不损害钱江大潮景观。钢护筒内径Φ4.1m，长度45m，下端12m壁厚为32mm，采用Q345c钢，上端33m壁厚为32mm，采用Q235c钢，单根重量达132t。

3）导向框设计制作

为了钢护筒的顺利精确就位，在平台上设置导向框，导向框内设有钢滚轮、千斤顶和锁定装置，用以钢护筒下沉过程中平面位置及倾斜度的调整。结合平台高程和水位情况，导向框按双层设计，上层导向轮高程+11.0m，下层导向轮高程+3.0m，间距8m，导向轮可调范围150mm。导向框可方便的安装和拆卸，利于周转使用。

图1导向框结构平面示意图

4.2、导向框设计荷载选择

导向框（架）是控制钢护筒沉放位置及竖直度的重要装置，其受力较为复杂。如何合理的分析工况条件并选择荷载，关系到的钢护筒能否顺利精准的就位。一般需要考虑的荷载包括水流力、风压力、钢护筒与导向装置的摩擦力、护筒倾斜造成的自重水平分力、激振力水平分力等。下面以典型墩钢护筒沉放为例，分析导向框的设计荷载选择。

（1）工况选择

根据该工程情况，选择两个工况进行探讨。工况一，第一节25.2m长钢护筒吊入导向框内，利用限位调节装置，使钢护筒的平面位置及垂直度达到要求，履带吊落钩，钢护筒沿定位导向架下沉至泥面，履带吊脱钩，启动振动锤，使护筒下沉。工况二，第一节钢护筒沉至距上层导向约1.0m处，拼接护筒后，将振动锤吊至护筒顶开始起振。此时钢护筒受竖向激振力及水平向水流力的作用，钢护筒下端考虑为铰结。受力情况与计算简图如下：

图2 工况一受力情况及计算简图

图2 工况二受力情况及计算简图

（2）各荷载计算

1）水流力Fw

该项目处在强涌潮水域，流速极大，短期监测已达到6.65m/s，涌潮试验更是可达9.0～10.0m/s。水流力计算时不可能选择这样的极端条件，因为极不经济，也是不科学的，只要合理选择施工时机，还是可以规避极值水流力的影响。经慎重比选，采用2.5m/s流速进行刚度验算，3.5m/s流速进行刚度验算，对应水流力分别为129kN和252kN。

2）激振力及自重的水平分力Fh、FG

激振力及自重的水平分力主要是由于钢护筒倾斜造成的，控制好倾斜度可有效减小其影响。公路桥涵施工技术规范规定钢护筒倾斜应控制在1/100以内，该项目专用施工技术规范对于超大直径钢护筒要求不大于1/150，按1/100取值，激振力及自重的水平分力分别为64kN和13.5kN。

3）风压力Fwh

杭州湾区域大风出现几率较大，每年受台风和季风影响。该项目钢护筒外形尺寸巨大，受风载影响较大。经对现场气象条件分析，选择6级风为控制界限，对应风压力标准值为1.04kN/m，施工时风力超过6级时不予沉放作业。

4）钢护筒与导向装置的摩擦力Ff

护筒下沉过程中，因导向装置与钢护筒壁存在摩擦，导向架受到向下的摩擦力作用。如果采用钢支撑结构，其与钢护筒为滑动摩擦，对应Ff最大约为85 kN。该项目采用导向轮结构，其与钢护筒为滚动摩擦，摩擦力Ff较小，对导向框的影响很小。

（3）经计算，工况一时最大支反力N1、N2为-235kN、418kN；工况二时最大支反力N1、N2为-409kN、568kN，其中影响最大的荷载为水流力，其次是激振力的水平分力。如何控制水流力和激振力的影响，将直接关系到导向框的结构设计。实际施工时，护筒下沉及测量定位均选择平潮，有效减小了水流力的影响，至于过程中涨落潮较大流速造成的导向框弹性变形，平潮时能自行恢复，可不予考虑。由于措施得力，钢护筒倾斜度均控制在了1/250以内，大多在1/500，对应的激振力的水平分力Fh较小，对导向框的影响很小。导向框最终设计总重量在20t。

5、结语

超大直径钢护筒在深水桥梁中的应用越来越多，而在杭州湾强涌潮水域如此大规模地采用超大直径的钢护筒尚属首次，对其施工技术可以说是一次考验。现在看来，该项目Φ4.1m钢护筒导向框的选择是成功的，为强涌潮水域的桥梁超大直径钢护筒施工积累了一定的经验。

参考文献

[1]交通部第一公路总公司.公路施工手册・桥涵.人民交通出版社，2000.3

[2]法国PTC公司.PTC振动沉桩介绍与说明,2002

[3]汤绍和.ICE液压振动拔桩机.建筑机械,1999.4

[4]于金帆.现代铁路工程师手册.吉林科技出版社,2004.10