高桩码头桩顶铰接结构 【技术领域】
本发明涉及高桩码头的结构， 具体涉及一种高桩码头的桩顶铰接结构。背景技术 目前高桩码头铰接结构仅是采用降低桩顶伸入下横梁或帽桩高度的方式， 这种常 规的铰接连接结构不能保证桩顶与下横梁或帽桩之间的自由相对转动， 实际上是处于刚接 与铰接之间的一种不确定的连接方式， 大纵向位移时仍有可能发生桩顶受弯损坏， 这种常 规的铰接结构仅适用于桩顶按刚接计算的弯矩小于桩身抗弯能力的情况。 过去常规码头分 段长度小， 温差变形产生的弯矩总是小于桩身抗弯能力， 在桩顶不会发生损坏的条件下， 虽 然设计是按铰接计算， 但实际桩顶有部分刚接对于码头的受力是有利的， 是属于设计安全 预留。
长分段码头若采用桩顶刚接形式， 则温差会产生很大的桩顶弯矩， 往往会成为限 制分段长度的控制条件， 由于常规桩顶铰接结构不宜用于按刚接计算时桩顶弯矩大于桩身 抗弯能力的区域， 因此， 当通过经济技术比较需要延长码头分段长度时， 需要研究一种可降 低桩顶弯矩的铰接结构。
发明内容
本发明针对现有高桩码头采用的铰接结构所存在的问题， 而提供一种新型的高桩 码头桩顶铰接结构， 其能够有效减小桩顶弯矩， 以适应长分段码头的结构。
为了达到上述目的， 本发明采用如下的技术方案 ：
高桩码头桩顶铰接结构， 所述桩顶铰接结构包括 ：
底板结构， 所述底板结构包括模板 (014)、 模板挂筋 (012) 及环形底板 (011)， 所 述模板挂筋 (012) 一端焊接在环形底板 (011) 下面， 另一端固定模板 (014)， 所述环形底板 (011) 安置在桩 (061) 的顶面上 ；
钢筋笼 (023)， 所述钢筋笼 (023) 穿过环形底板 (011)， 并伸入到桩内， 所述钢筋笼 (023) 上的抗拉主筋 (021) 在接触面附近设置有滑动层 (022)， 钢筋笼抗拉主筋上下段未设 置滑动层的长度需满足钢筋锚固长度要求 ；
抗剪钢管 (031)， 所述抗剪钢管 (031) 套设在钢筋笼 (023) 上， 下部伸入桩内， 所述 抗剪钢管外部设置有滑动层 ；
中板 (041)， 所述中板 (041) 为环形， 安置在环形底板 (011) 上， 所述中板顶面外边 缘为一斜坡 (042)， 所述斜坡的坡度满足桩顶所需转角要求， 所述中板外空隙区填有柔性防 腐填料 (063) ；
顶板 (051)， 所述顶板 (051) 为环形， 安置在中板 (041) 的顶部， 顶板上固设有锚固 筋 (052) 及抗剪板 (054) ；
侧面柔性防腐层 (064)， 设置范围从所述顶板 (051) 顶面至底板 (011) 下面的桩外 侧面。作为本发明的最优实施例， 所述环形底板 (011) 通过结构胶粘剂安置在桩顶上。
所述环形底板 (011) 可采用 20 锰钢等材料制成， 厚度为 10 ～ 20mm， 外径同桩径、 内径大于抗剪钢管 (031) 的外径 3 ～ 5cm 以上。
进一步的， 所述钢筋笼取小直径， 一般小于 50cm， 钢筋笼抗拉主筋 (021) 采用直径 不小于 28mm 的 3 级钢或 2 级钢， 抗拉主筋配筋量应满足桩顶的抗拉要求、 且产生的最大弯 矩宜小于桩身的允许抗弯值。
进一步的， 所述钢筋笼抗拉主筋上段可伸出桩帽或下横梁进行锚固。
进一步的， 所述抗剪钢管采用厚壁无缝钢管， 厚度不小于 30mm。
进一步的， 所述滑动层可采用防腐油层和包裹在防腐油层上的薄膜层。
进一步的， 所述抗剪钢管下部埋入桩内混凝土的长度按 1/2 桩径确定。
进一步的， 所述中板可采用 20 锰钢等材料制成， 厚度为 20 ～ 40mm， 中板的内径比 抗剪钢管外径大 1 ～ 2mm， 外径大于底板内径不小于 50mm。
进一步的， 所述斜坡坡度为 5 ～ 10°， 斜坡长度大于 100mm， 坡顶平台宽度应按局 部承压计算且不小于 50mm， 中板斜坡顶平台宽度计算确定。
进一步的， 所述顶板通过结构胶粘剂安置在中板的顶部。
进一步的， 所述顶板可采用 20 锰钢等材料制成， 与中板接触范围的顶板厚度不小 于 20mm， 内径宜比抗剪钢管的外径大 1 ～ 2mm， 外径同桩径。
进一步的， 所述锚固筋的弯起角宜在 30 ～ 60°之间 ； 抗剪板高度宜取 50mm 左右。
进一步的， 当顶板上方的分布水平钢筋不能通过抗剪板时， 将水平钢筋焊接于顶 板或抗剪板上。
进一步的， 所述侧面柔性防腐层 (064) 采用低刚度材料形成， 厚度为 5 ～ 10mm， 包 裹范围从超过顶板顶面 20mm 至桩帽或下横梁底面不小于 20mm， 并且伸出底板下的距离应 满足防腐要求。
新型铰接结构具有以下优点 ：
①铰接桩工作可靠， 桩顶允许的相对转角较大， 产生的桩顶弯矩一般可控制在小 于桩身允许弯矩范围内， 能满足长分段结构的铰接要求。
②桩承担轴向压力性能可靠， 压力是直接传递于桩顶面上。
③桩内浇筑混凝土深度主要按桩承担的拉力确定， 长分段结构基桩拉力不大， 桩 内浇筑的混凝土深度一般只需满足钢筋锚固及符合构造要求即可。
④当采用桩帽时， 连接钢筋笼直径较小， 一般可伸入纵横梁结点锚固， 桩帽高度较 小， 一般可按构造要求取小值 60cm， 有利于提高施工水位。
⑤长分段结构采用铰接桩更能适应风浪恶劣条件下桩顶难刚接的情况， 更适合用 于外海深水码头情况。 附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。 图 1 为本发明中桩顶铰接连接立面示意图。 图 2 为本发明中桩顶铰接连接平面示意图。 图 3 为本发明中斜桩铰接连接的示意图。图 4 为中板斜坡顶平台宽度计算图。 图 5 为锚固钢筋及抗剪板计算简图。具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、 创作特征、 达成目的与功效易于明白了解， 下面结 合具体图示， 进一步阐述本发明。
参见图 1 和图 2， 本发明所提供的高桩码头桩顶铰接结构， 主要由底板结构、 钢筋 笼 (023)、 抗剪钢管 (031)、 中板 (041)、 顶板 (051)、 侧面柔性防腐层 (064) 组成。
其中底板结构包括模板 (014)、 模板挂筋 (012) 及环形底板 (011)， 安装前模板挂 筋 (012) 一端焊接在环形底板 (011) 下面， 另一端固定模板 (014)， 安装时环形底板 (011) 可通过胶粘剂安置在桩 (061) 的顶面上。
钢筋笼 (023) 穿过环形底板 (011) 伸入桩内， 其上的抗拉主筋 (021) 在接触面附 近设置有滑动层 (022)， 钢筋笼抗拉主筋上下段未设置滑动层的长度需满足钢筋锚固长度 要求。
抗剪钢管 (031) 套设在钢筋笼 (023) 上， 并且其下部伸入桩内， 抗剪钢管外部设置 有滑动层。 中板 (041) 为环形， 安置在环形底板 (011) 上， 中板顶面外边缘为一斜坡 (042)， 该 斜坡的坡度满足桩顶所需转角要求， 同时在中板外空隙区填有柔性防腐填料 (063)。
顶板 (051) 为环形， 安置在中板 (041) 的顶部， 顶板上焊接有锚固筋 (052) 及抗剪 板 (054)。
侧面柔性防腐层 (064)， 设置范围从在顶板 (051) 顶面至底板 (011) 下面的桩外 侧。
基于上述方案， 本发明提供的新型铰接结构的施工及设计过程如下 ( 参见图 1 和 图 2) ：
①模板 (014)、 模板挂筋 (012) 及环形底板 (011) 整体制作， 挂筋 (012) 在底板下 焊接 (013)。在桩顶上涂上结构胶粘剂 ( 如环氧树脂 ) 后安放整体制作后的底板结构。
②底板宜采用 20 锰钢等材料， 厚度约 10 ～ 20mm， 外径同桩径、 内径宜大于抗剪钢 管 (031) 的外径 3 ～ 5cm 以上， 以便浇筑桩内混凝土。
③钢筋笼尽量取小直径， 一般要求直径小于 50cm， 钢筋笼抗拉主筋 (021) 宜采用 直径不小于 28mm 的 3 级钢或 2 级钢， 以减小钢筋笼直径和增加连接面的允许缝隙量 ； 抗拉 主筋配筋量应满足桩顶的抗拉要求、 且产生的最大弯矩宜小于桩身的允许抗弯值。抗拉主 筋在接触面附近应进行表面滑动处理 (022)， 可采用涂抹防腐油后包裹薄膜材料处理， 目的 是消除主筋的混凝土握裹力以达到增加接触面的允许缝隙量 ； 滑动处理段总长度应根据计 算所需的允许缝隙量确定 ； 上下段未进行滑动处理的长度需满足钢筋锚固长度要求 ； 由于 钢筋笼直径小， 因此可考虑将上段抗拉主筋伸出桩帽或下横梁 (062) 进行锚固。
④钢筋笼外套有抗剪钢管 (031)， 抗剪钢管宜采用厚壁无缝钢管， 宜选择 20 锰钢 等材料， 厚度不宜小于 30mm， 钢管截面用量需满足桩顶抗剪要求 ； 抗剪钢管外部也应进行 表面滑动处理， 可采用涂抹防腐油后包裹薄膜材料， 目的是消除抗剪钢管的混凝土握裹力 避免产生不可控制的桩顶弯矩。抗剪钢管 (031) 可通过钢筋焊接于环形底板 (011) 的底面
固定， 作为底板结构的附加部分进行安装 ； 也可通过钢筋焊接于钢筋笼固定， 作为钢筋笼的 附加部分进行安装。
⑤底板结构、 钢筋笼及抗剪钢管安装后， 浇筑桩内混凝土至底板面， 在底板面涂上 结构胶粘剂后安装中板 (041)。中板宜采用 20 锰钢等材料， 厚度可取 30mm 左右 ； 内径宜比 抗剪钢管外径大 1 ～ 2mm ； 外径宜大于底板内径不小于 50mm， 以满足受压搭接要求 ； 中板顶 面外边缘应作成斜坡 (042)， 坡度可取 5 ～ 10°左右， 应满足桩顶所需转角要求 ； 斜坡长度 宜大于 100mm ； 坡顶平台宽度应按局部承压计算且不应小于 50mm。
⑥在中板外空隙区可填柔性防腐填料 (063)， 在中板顶部涂上结构胶粘剂后安装 顶板 (051)。 顶板宜采用 20 锰钢等材料， 与中板接触范围的顶板厚度不宜小于 20mm， 内径宜 比抗剪钢管的外径大 1 ～ 2mm， 外径同桩径。 顶板上焊接有锚固筋 (052) 及抗剪板 (054)， 锚 固筋焊缝位置见 (053)， 抗剪板焊缝位置见 (055)。锚固筋宜采用 2 级钢， 弯起角可在 30 ～ 60°之间 ； 抗剪板高度可取 50mm 左右。锚固筋及抗剪板应能抵抗桩顶剪力以及钢管摩擦 力， 锚固筋配筋量及抗剪板尺寸由计算确定。当顶板上方的分布水平钢筋不能通过抗剪板 时， 可将水平钢筋焊接于顶板或抗剪板上。
⑦对于抗剪钢管埋入上部混凝土的长度问题， 由于抗剪钢管内为实心混凝土， 顶 板与钢管之间的接触强度一般能抵抗桩顶剪力， 如钢管直径 0.2m， 顶板厚 2cm， 按 20 锰钢抗 压强度 310mPa 计算， 其极限抗剪力为 ： Qj ＝ 0.02*0.2*310000 ＝ 1240kN， 远大于实际桩顶 可能产生的剪力， 因此钢管埋入上部混凝土长度可取 50mm 左右即可。钢管埋入下部桩内混 凝土的长度可按 1/2 桩径确定。
⑧顶板顶面至底板下的桩外侧应包裹柔性防腐材料 (064)， 防腐材料应选低刚度 材料， 厚度可取 5 ～ 10mm 左右， 包裹范围应超过顶板顶面和桩帽 ( 或下横梁 ) 底面不小于 20mm 并且伸出底板下的距离应满足防腐要求。
⑨中板斜坡顶平台 (041) 宽度可按图 4 计算确定， 图中板内边缘半径为 r， 斜坡顶 边缘半径为 R， 转动的局部受压面积按图中阴影所示， 阴影面积为 ：
假定中板与顶板的抗压强度为 fy， 桩轴向设计压力为 N， 则应满足 ： fy·Δ ＝ N (2) 中板斜坡顶平台宽度 δ 按下式确定 ：δ ＝ R-r (3)
⑩锚固钢筋及抗剪板可按图 5 计算 ：
图中 ： 剪力 Qn 取桩顶剪力 Q 加 0.05 桩顶轴力 N， 作用于桩顶上 ； 钢管与顶板侧摩 擦合力为 P ； T 为锚固钢筋应达到的设计拉力 ； β 为锚固钢筋弯器角， 抗剪板侧反力 σ 取混 凝土轴心抗压强度 fc ； a 为钢管与顶板侧摩力 P 到顶板边缘的距离、 b 为锚固钢筋底板交点 到顶板边缘的距离、 c 为抗剪板到锚固钢筋底板交点距离、 d 为侧反力中心到桩顶剪力 Qn 的 距离。
抵抗剪力方向的面积 Ω 应满足抵抗剪力 Qn 的要求， 可以考虑锚固钢筋的抗剪能 力， 抗剪板面积 Ω 按下式确定 ：
Ω ＝ (Qn-T*cosβ)/fc (4)锚固钢筋除应满足抗剪钢板的锚固要求， 可以侧反力中心 O 为力矩轴， 按锚固力 T 能抵抗剪力 Qa 对 o 点力矩的要求确定， 可不考虑 T 的水平分力， 这部分锚固力 T1 可按下式 确定 ：
T1 ＝ Qn*d/(c*sinβ) (5)
锚固钢筋尚应满足顶板与抗剪钢管间侧摩力 P 的抗拔要求。可近似假定摩擦系数 为 0.3， 即钢管侧摩力 P ＝ 0.3Qn， 这部分锚固力 T2 可近似按边缘支点力矩平衡确定， 即：
T2 ＝ P*a/(b*sinβ) (6)
以上两项叠加要求 ：
T ＝ Qn*d/(c*sinβ)+P*a/(b*sinβ) (7)
(11) 桩顶所需的相对转角根据计算铰接桩桩顶的最大转角 ω 确定， 接触面所需 的缝隙量按抗拉主筋到最远斜坡顶边缘的距离乘最大转角确定， 即：
ε ＝ ρ*ω (8)
式中 ： ε 为允许缝隙量 mm、 ρ 为抗拉主筋到最远斜坡顶边缘的距离 mm、 ω 为最大 转角弧度。
(12) 抗拉主筋所需的滑动处理层的总长度可按下式确定 ： μ ＝ ε*Es/fyk-2La (9)
式中 ： μ 为抗拉主筋所需的滑动处理层总长度、 ε 为允许缝隙量 m、 Es 为钢筋弹性 模量 kPa、 fyk 为钢筋抗拉强度标准值 kPa、 La 为锚固段等效自由长度， 2 级钢可近似取 10d、 3 级钢可近似取 15d。
(13) 为使连接处的最大弯矩小于桩身的允许弯矩 M， 宜满足 ：
a·n·fyk·r ≤ M (10)
式中 ： a 为抗拉主筋面积、 n 为抗拉主筋根数、 fyk 为抗拉主筋抗拉标准值、 r 为中板 坡顶线半径。
利用本发明提供的方法进行斜桩铰接处理时， 参见图 3， 斜桩铰接可采用直接倾斜 连接形式。
本发明提出的新型铰接方案已考虑了斜桩的连接问题， 斜桩连接要点是加长和加 厚桩高侧面的包裹材料， 加长包裹材料应伸出混凝土外、 加厚包裹材料目的是为了保证桩 高侧面的自由转动量符合最大相对转角需求。
利用本发明提供的斜桩连接结构施工简单， 钢筋制作与直桩情况一样， 可定型生 产， 斜桩处理非常方便， 由于长分段结构适用条件是摩擦型桩， 打桩一般按桩顶设计高程控 制， 需割桩头的情况不多， 因此适用于长分段结构。
根据上述方案形成的新型铰接结构在承受轴向拉力时， 相比于传统铰接结构具有 一定的轴向松弛量， 经分析认为这对长分段结构是有利的。桩顶受拉松弛时会减小温差产 生的桩拉力， 当基桩在受拉最不利状态时， 受拉桩上部没有荷载， 对桩基而言， 此时邻近基 桩不会达到最不利受压状态， 对远处基桩的内力也影响不大， 即桩受拉松弛对桩受拉有利、 对桩受压影响不大。对深水长分段码头， 由于基桩的斜度小、 承受的水平力小， 基桩的拉力 不大甚至不会出现拉力， 因此桩顶受拉松弛影响更小。对纵横梁而言， 当桩受处于拉状态 时， 对应的上部没有荷载， 附近梁不会产生最大正弯矩， 而对远处梁的正弯矩影响不大， 综 合分析对正弯矩影响较小 ； 虽然桩受拉松弛会对该处梁的负弯矩产生增大作用， 但考虑到
面板可参加抵抗负弯矩以及纵横梁可部分塑性调整的性能， 实际调整增大的负弯矩不会对 纵横梁造成较大影响， 如担心梁负弯矩增大的影响， 可适当增加负弯矩配筋量。
新型铰接结构产生相对转角时会使上部结构有所抬高， 但由于接触面较小， 所以 转动产生的抬高量不大。 从平面各桩上看， 这种抬高量是逐渐缓慢变化的， 对结构的影响很 小， 过去大管桩采用铰接连接时也有这种情况， 且抬高量有可能大于新铰接情况， 实践中也 没有发生问题。
当桩顶分区采用不同的铰接结构时， 假定对中间 70m 区段的基桩采用传统的铰接 做法 ； 而对位于其外边缘区域的基桩， 采用本专利铰接结构。 假定桩顶转角按传统铰接连接 时纵梁不产生抬高， 采用新技术连接时纵梁按刚性接触抬高， 以下分析分区边界处排架间 的竖向差异变形问题 ： 假定按 70m 处温差产生的位移为 18mm、 桩泥上长度为 10m， 土 m 值为 10000/m 考虑， 计算得 大管桩桩顶转角为 0.00176 弧度， 假定桩顶转动的接触面直径 为 0.5m， 则按刚性接触计算桩顶抬高量为 0.00044m。假定排架间距 7.5m， 类比框架结构相 邻柱允许的沉降差为 0.002 ～ 0.003L ＝ 0.015 ～ 0.0225m， 数值对比可知桩顶分区采用不 同的铰接结构时， 排架间的竖向差异沉降可以忽略不计。 由于当铰接桩顶的连接抗弯强度不大于桩身允许弯矩时， 桩顶的连接抗弯强度对 结构受力是有利的， 实际上是一种安全预留， 当偶然发生超大水平力或地震时， 桩顶的连接 抗弯强度也会发挥作用， 因此设计桩顶连接处宜具有一定的抗弯能力， 但不宜超过桩身的 抗弯强度。
虽然新型铰接结构产生的构顶弯矩远小于传统铰接结构， 但也并非理想铰接， 设 计宜考虑将桩身的泥下最大弯矩适当增大， 可乘系数 1.1 ～ 1.2。
采用新型铰接结构要求施工安放预制纵横梁时， 不能拆除底部支撑。以上显示和 描述了本发明的基本原理、 主要特征和本发明的优点。 本行业的技术人员应该了解， 本发明 不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理， 在不脱离 本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进， 这些变化和改进都落入要求 保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。