專利名稱：高樁碼頭樁頂鉸接結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及高樁碼頭的結構，具體涉及一種高樁碼頭的樁頂鉸接結構。
背景技術：
目前高樁碼頭鉸接結構僅是采用降低樁頂伸入下橫梁或帽樁高度的方式，這種常規的鉸接連接結構不能保證樁頂與下橫梁或帽樁之間的自由相對轉動，實際上是處于剛接與鉸接之間的一種不確定的連接方式，大縱向位移時仍有可能發生樁頂受彎損壞，這種常規的鉸接結構僅適用于樁頂按剛接計算的彎矩小于樁身抗彎能力的情況。過去常規碼頭分段長度小，溫差變形產生的彎矩總是小于樁身抗彎能力，在樁頂不會發生損壞的條件下，雖然設計是按鉸接計算，但實際樁頂有部分剛接對于碼頭的受力是有利的，是屬于設計安全預留。長分段碼頭若采用樁頂剛接形式，則溫差會產生很大的樁頂彎矩，往往會成為限制分段長度的控制條件，由于常規樁頂鉸接結構不宜用于按剛接計算時樁頂彎矩大于樁身抗彎能力的區域，因此，當通過經濟技術比較需要延長碼頭分段長度時，需要研究一種可降低樁頂彎矩的鉸接結構。

發明內容
本發明針對現有高樁碼頭采用的鉸接結構所存在的問題，而提供一種新型的高樁碼頭樁頂鉸接結構，其能夠有效減小樁頂彎矩，以適應長分段碼頭的結構。為了達到上述目的，本發明采用如下的技術方案高樁碼頭樁頂鉸接結構，所述樁頂鉸接結構包括底板結構，所述底板結構包括模板(014)、模板掛筋(012)及環形底板(011)，所述模板掛筋(01 —端焊接在環形底板(011)下面，另一端固定模板(014)，所述環形底板 (011)安置在樁(061)的頂面上；鋼筋籠(023)，所述鋼筋籠(023)穿過環形底板(011)，并伸入到樁內，所述鋼筋籠 (023)上的抗拉主筋(021)在接觸面附近設置有滑動層(022)，鋼筋籠抗拉主筋上下段未設置滑動層的長度需滿足鋼筋錨固長度要求；抗剪鋼管(031)，所述抗剪鋼管(031)套設在鋼筋籠(023)上，下部伸入樁內，所述
抗剪鋼管外部設置有滑動層；中板(041)，所述中板(041)為環形，安置在環形底板(011)上，所述中板頂面外邊緣為一斜坡(042)，所述斜坡的坡度滿足樁頂所需轉角要求，所述中板外空隙區填有柔性防腐填料(063)；頂板(051)，所述頂板(051)為環形，安置在中板(041)的頂部，頂板上固設有錨固筋(052)及抗剪板(054)；側面柔性防腐層(064)，設置范圍從所述頂板(051)頂面至底板(011)下面的樁外側面。
作為本發明的最優實施例，所述環形底板(011)通過結構膠粘劑安置在樁頂上。所述環形底板(011)可采用20錳鋼等材料制成，厚度為10 20mm，外徑同樁徑、 內徑大于抗剪鋼管(031)的外徑3 5cm以上。進一步的，所述鋼筋籠取小直徑，一般小于50cm，鋼筋籠抗拉主筋(021)采用直徑不小于^mm的3級鋼或2級鋼，抗拉主筋配筋量應滿足樁頂的抗拉要求、且產生的最大彎矩宜小于樁身的允許抗彎值。進一步的，所述鋼筋籠抗拉主筋上段可伸出樁帽或下橫梁進行錨固。進一步的，所述抗剪鋼管采用厚壁無縫鋼管，厚度不小于30mm。進一步的，所述滑動層可采用防腐油層和包裹在防腐油層上的薄膜層。進一步的，所述抗剪鋼管下部埋入樁內混凝土的長度按1/2樁徑確定。進一步的，所述中板可采用20錳鋼等材料制成，厚度為20 40mm，中板的內徑比抗剪鋼管外徑大1 2mm，外徑大于底板內徑不小于50mm。進一步的，所述斜坡坡度為5 10°，斜坡長度大于100mm，坡頂平臺寬度應按局部承壓計算且不小于50mm，中板斜坡頂平臺寬度計算確定。進一步的，所述頂板通過結構膠粘劑安置在中板的頂部。進一步的，所述頂板可采用20錳鋼等材料制成，與中板接觸范圍的頂板厚度不小于20mm，內徑宜比抗剪鋼管的外徑大1 2mm，外徑同樁徑。進一步的，所述錨固筋的彎起角宜在30 60°之間；抗剪板高度宜取50mm左右。進一步的，當頂板上方的分布水平鋼筋不能通過抗剪板時，將水平鋼筋焊接于頂板或抗剪板上。進一步的，所述側面柔性防腐層(064)采用低剛度材料形成，厚度為5 10mm，包裹范圍從超過頂板頂面20mm至樁帽或下橫梁底面不小于20mm，并且伸出底板下的距離應滿足防腐要求。新型鉸接結構具有以下優點①鉸接樁工作可靠，樁頂允許的相對轉角較大，產生的樁頂彎矩一般可控制在小于樁身允許彎矩范圍內，能滿足長分段結構的鉸接要求。②樁承擔軸向壓力性能可靠，壓力是直接傳遞于樁頂面上。③樁內澆筑混凝土深度主要按樁承擔的拉力確定，長分段結構基樁拉力不大，樁內澆筑的混凝土深度一般只需滿足鋼筋錨固及符合構造要求即可。④當采用樁帽時，連接鋼筋籠直徑較小，一般可伸入縱橫梁結點錨固，樁帽高度較小，一般可按構造要求取小值60cm，有利于提高施工水位。⑤長分段結構采用鉸接樁更能適應風浪惡劣條件下樁頂難剛接的情況，更適合用于外海深水碼頭情況。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。

圖1為本發明中樁頂鉸接連接立面示意圖。圖2為本發明中樁頂鉸接連接平面示意圖。圖3為本發明中斜樁鉸接連接的示意圖。
圖4為中板斜坡頂平臺寬度計算圖。圖5為錨固鋼筋及抗剪板計算簡圖。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。參見圖1和圖2，本發明所提供的高樁碼頭樁頂鉸接結構，主要由底板結構、鋼筋籠(023)、抗剪鋼管(031)、中板(041)、頂板(051)、側面柔性防腐層(064)組成。其中底板結構包括模板(014)、模板掛筋(012)及環形底板(011)，安裝前模板掛筋(012) —端焊接在環形底板(011)下面，另一端固定模板(014)，安裝時環形底板(011) 可通過膠粘劑安置在樁(061)的頂面上。鋼筋籠(023)穿過環形底板(011)伸入樁內，其上的抗拉主筋(021)在接觸面附近設置有滑動層(022)，鋼筋籠抗拉主筋上下段未設置滑動層的長度需滿足鋼筋錨固長度要求。抗剪鋼管(031)套設在鋼筋籠(023)上，并且其下部伸入樁內，抗剪鋼管外部設置
有滑動層。中板(041)為環形，安置在環形底板(011)上，中板頂面外邊緣為一斜坡(042)，該斜坡的坡度滿足樁頂所需轉角要求，同時在中板外空隙區填有柔性防腐填料(063)。頂板(051)為環形，安置在中板(041)的頂部，頂板上焊接有錨固筋(05 及抗剪板(054)。側面柔性防腐層(064)，設置范圍從在頂板(051)頂面至底板(011)下面的樁外側。基于上述方案，本發明提供的新型鉸接結構的施工及設計過程如下(參見圖1和圖2)①模板(014)、模板掛筋(012)及環形底板(011)整體制作，掛筋(012)在底板下焊接(013)。在樁頂上涂上結構膠粘劑(如環氧樹脂)后安放整體制作后的底板結構。②底板宜采用20錳鋼等材料，厚度約10 20mm，外徑同樁徑、內徑宜大于抗剪鋼管(031)的外徑3 5cm以上，以便澆筑樁內混凝土。③鋼筋籠盡量取小直徑，一般要求直徑小于50cm，鋼筋籠抗拉主筋(021)宜采用直徑不小于^mm的3級鋼或2級鋼，以減小鋼筋籠直徑和增加連接面的允許縫隙量；抗拉主筋配筋量應滿足樁頂的抗拉要求、且產生的最大彎矩宜小于樁身的允許抗彎值。抗拉主筋在接觸面附近應進行表面滑動處理(022)，可采用涂抹防腐油后包裹薄膜材料處理，目的是消除主筋的混凝土握裹力以達到增加接觸面的允許縫隙量；滑動處理段總長度應根據計算所需的允許縫隙量確定；上下段未進行滑動處理的長度需滿足鋼筋錨固長度要求；由于鋼筋籠直徑小，因此可考慮將上段抗拉主筋伸出樁帽或下橫梁(06 進行錨固。④鋼筋籠外套有抗剪鋼管(031)，抗剪鋼管宜采用厚壁無縫鋼管，宜選擇20錳鋼等材料，厚度不宜小于30mm，鋼管截面用量需滿足樁頂抗剪要求；抗剪鋼管外部也應進行表面滑動處理，可采用涂抹防腐油后包裹薄膜材料，目的是消除抗剪鋼管的混凝土握裹力避免產生不可控制的樁頂彎矩。抗剪鋼管(031)可通過鋼筋焊接于環形底板(011)的底面固定，作為底板結構的附加部分進行安裝；也可通過鋼筋焊接于鋼筋籠固定，作為鋼筋籠的附加部分進行安裝。⑤底板結構、鋼筋籠及抗剪鋼管安裝后，澆筑樁內混凝土至底板面，在底板面涂上結構膠粘劑后安裝中板(041)。中板宜采用20錳鋼等材料，厚度可取30mm左右；內徑宜比抗剪鋼管外徑大1 2mm ；外徑宜大于底板內徑不小于50mm，以滿足受壓搭接要求；中板頂面外邊緣應作成斜坡(042)，坡度可取5 10°左右，應滿足樁頂所需轉角要求；斜坡長度宜大于IOOmm ；坡頂平臺寬度應按局部承壓計算且不應小于50mm。⑥在中板外空隙區可填柔性防腐填料(063)，在中板頂部涂上結構膠粘劑后安裝頂板(051)。頂板宜采用20錳鋼等材料，與中板接觸范圍的頂板厚度不宜小于20mm，內徑宜比抗剪鋼管的外徑大1 2mm，外徑同樁徑。頂板上焊接有錨固筋(05 及抗剪板(OM)，錨固筋焊縫位置見(053)，抗剪板焊縫位置見(05 。錨固筋宜采用2級鋼，彎起角可在30 60°之間；抗剪板高度可取50mm左右。錨固筋及抗剪板應能抵抗樁頂剪力以及鋼管摩擦力，錨固筋配筋量及抗剪板尺寸由計算確定。當頂板上方的分布水平鋼筋不能通過抗剪板時，可將水平鋼筋焊接于頂板或抗剪板上。⑦對于抗剪鋼管埋入上部混凝土的長度問題，由于抗剪鋼管內為實心混凝土，頂板與鋼管之間的接觸強度一般能抵抗樁頂剪力，如鋼管直徑0. 2m,頂板厚2cm，按20錳鋼抗壓強度3IOitfa計算，其極限抗剪力為Qj = 0. 02*0. 2*310000 = 1240kN，遠大于實際樁頂可能產生的剪力，因此鋼管埋入上部混凝土長度可取50mm左右即可。鋼管埋入下部樁內混凝土的長度可按1/2樁徑確定。⑧頂板頂面至底板下的樁外側應包裹柔性防腐材料(064)，防腐材料應選低剛度材料，厚度可取5 IOmm左右，包裹范圍應超過頂板頂面和樁帽(或下橫梁)底面不小于 20mm并且伸出底板下的距離應滿足防腐要求。⑨中板斜坡頂平臺(041)寬度可按圖4計算確定，圖中板內邊緣半徑為r，斜坡頂邊緣半徑為R，轉動的局部受壓面積按圖中陰影所示，陰影面積為A = 2R2 ■ arccos(—) - r. ^R2 - r2(1)
R假定中板與頂板的抗壓強度為fy，樁軸向設計壓力為N，則應滿足fy · Δ = N(2)中板斜坡頂平臺寬度δ按下式確定δ = R-r(3)⑩錨固鋼筋及抗剪板可按圖5計算圖中剪力Qn取樁頂剪力Q加0. 05樁頂軸力N，作用于樁頂上；鋼管與頂板側摩擦合力為P ;τ為錨固鋼筋應達到的設計拉力；β為錨固鋼筋彎器角，抗剪板側反力σ取混凝土軸心抗壓強度fc ；a為鋼管與頂板側摩力P到頂板邊緣的距離、b為錨固鋼筋底板交點到頂板邊緣的距離、c為抗剪板到錨固鋼筋底板交點距離、d為側反力中心到樁頂剪力Qn的距離。抵抗剪力方向的面積Ω應滿足抵抗剪力Qn的要求，可以考慮錨固鋼筋的抗剪能力，抗剪板面積Ω按下式確定Ω = (Qn_T*cos3 )/fc(4)
錨固鋼筋除應滿足抗剪鋼板的錨固要求，可以側反力中心0為力矩軸，按錨固力T 能抵抗剪力Qa對ο點力矩的要求確定，可不考慮T的水平分力，這部分錨固力Tl可按下式確定Tl = Qn*d/(c*sin3)(5)錨固鋼筋尚應滿足頂板與抗剪鋼管間側摩力P的抗拔要求。可近似假定摩擦系數為0. 3，即鋼管側摩力P = O. 3Qn，這部分錨固力T2可近似按邊緣支點力矩平衡確定，即T2 = P*a/(b*sin3)(6)以上兩項疊加要求 T = Qn*d/ (c*sin β ) +P*a/ (b*sin β )(7)(11)樁頂所需的相對轉角根據計算鉸接樁樁頂的最大轉角ω確定，接觸面所需的縫隙量按抗拉主筋到最遠斜坡頂邊緣的距離乘最大轉角確定，即ε = ρ * ω(8)式中ε為允許縫隙量mm、P為抗拉主筋到最遠斜坡頂邊緣的距離mm、ω為最大轉角弧度。(12)抗拉主筋所需的滑動處理層的總長度可按下式確定μ = ε *Es/fyk_2La(9)式中μ為抗拉主筋所需的滑動處理層總長度、ε為允許縫隙量m』s為鋼筋彈性模量kPa、fyk為鋼筋抗拉強度標準值kPa、La為錨固段等效自由長度，2級鋼可近似取10d、 3級鋼可近似取15d。(13)為使連接處的最大彎矩小于樁身的允許彎矩M,宜滿足a · η · fyk · r 彡 M(10)式中a為抗拉主筋面積、η為抗拉主筋根數、fyk為抗拉主筋抗拉標準值、r為中板坡頂線半徑。利用本發明提供的方法進行斜樁鉸接處理時，參見圖3，斜樁鉸接可采用直接傾斜連接形式。本發明提出的新型鉸接方案已考慮了斜樁的連接問題，斜樁連接要點是加長和加厚樁高側面的包裹材料，加長包裹材料應伸出混凝土外、加厚包裹材料目的是為了保證樁高側面的自由轉動量符合最大相對轉角需求。利用本發明提供的斜樁連接結構施工簡單，鋼筋制作與直樁情況一樣，可定型生產，斜樁處理非常方便，由于長分段結構適用條件是摩擦型樁，打樁一般按樁頂設計高程控制，需割樁頭的情況不多，因此適用于長分段結構。根據上述方案形成的新型鉸接結構在承受軸向拉力時，相比于傳統鉸接結構具有一定的軸向松弛量，經分析認為這對長分段結構是有利的。樁頂受拉松弛時會減小溫差產生的樁拉力，當基樁在受拉最不利狀態時，受拉樁上部沒有荷載，對樁基而言，此時鄰近基樁不會達到最不利受壓狀態，對遠處基樁的內力也影響不大，即樁受拉松弛對樁受拉有利、 對樁受壓影響不大。對深水長分段碼頭，由于基樁的斜度小、承受的水平力小，基樁的拉力不大甚至不會出現拉力，因此樁頂受拉松弛影響更小。對縱橫梁而言，當樁受處于拉狀態時，對應的上部沒有荷載，附近梁不會產生最大正彎矩，而對遠處梁的正彎矩影響不大，綜合分析對正彎矩影響較小；雖然樁受拉松弛會對該處梁的負彎矩產生增大作用，但考慮到
7面板可參加抵抗負彎矩以及縱橫梁可部分塑性調整的性能，實際調整增大的負彎矩不會對縱橫梁造成較大影響，如擔心梁負彎矩增大的影響，可適當增加負彎矩配筋量。新型鉸接結構產生相對轉角時會使上部結構有所抬高，但由于接觸面較小，所以轉動產生的抬高量不大。從平面各樁上看，這種抬高量是逐漸緩慢變化的，對結構的影響很小，過去大管樁采用鉸接連接時也有這種情況，且抬高量有可能大于新鉸接情況，實踐中也沒有發生問題。當樁頂分區采用不同的鉸接結構時，假定對中間70m區段的基樁采用傳統的鉸接做法；而對位于其外邊緣區域的基樁，采用本專利鉸接結構。假定樁頂轉角按傳統鉸接連接時縱梁不產生抬高，采用新技術連接時縱梁按剛性接觸抬高，以下分析分區邊界處排架間的豎向差異變形問題假定按70m處溫差產生的位移為18mm、樁泥上長度為10m，土 m值為 10000/m考慮，計算得φ1200大管樁樁頂轉角為0. 00176弧度，假定樁頂轉動的接觸面直徑為0. 5m，則按剛性接觸計算樁頂抬高量為0. OOOMm。假定排架間距7. 5m，類比框架結構相鄰柱允許的沉降差為0. 002 0. 003L = 0. 015 0. 0225m，數值對比可知樁頂分區采用不同的鉸接結構時，排架間的豎向差異沉降可以忽略不計。由于當鉸接樁頂的連接抗彎強度不大于樁身允許彎矩時，樁頂的連接抗彎強度對結構受力是有利的，實際上是一種安全預留，當偶然發生超大水平力或地震時，樁頂的連接抗彎強度也會發揮作用，因此設計樁頂連接處宜具有一定的抗彎能力，但不宜超過樁身的抗彎強度。雖然新型鉸接結構產生的構頂彎矩遠小于傳統鉸接結構，但也并非理想鉸接，設計宜考慮將樁身的泥下最大彎矩適當增大，可乘系數1. 1 1. 2。采用新型鉸接結構要求施工安放預制縱橫梁時，不能拆除底部支撐。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.高樁碼頭樁頂鉸接結構，其特征在于，所述樁頂鉸接結構包括 底板結構，所述底板結構包括模板(014)、模板掛筋(012)及環形底板(011)，所述模板掛筋(01 —端焊接在環形底板(011)下面，另一端固定模板(014)，所述環形底板(011) 安置在樁(061)的頂面上；鋼筋籠(023)，所述鋼筋籠(023)穿過環形底板(011)，并伸入到樁內，所述鋼筋籠 (023)上的抗拉主筋(021)在接觸面附近設置有滑動層(022)，鋼筋籠抗拉主筋上下段未設置滑動層的長度需滿足鋼筋錨固長度要求；抗剪鋼管(031)，所述抗剪鋼管(031)套設在鋼筋籠(023)上，下部伸入樁內，所述抗剪鋼管外部設置有滑動層；中板(041)，所述中板(041)為環形，安置在環形底板(011)上，所述中板頂面外邊緣為一斜坡(042)，所述斜坡的坡度滿足樁頂所需轉角要求，所述中板外空隙區填有柔性防腐填料(06 ；頂板(051)，所述頂板(051)為環形，安置在中板(041)的頂部，頂板上固設有錨固筋 (052)及抗剪板(054)；側面柔性防腐層(064)，設置范圍從所述頂板(051)頂面至底板(011)下面的樁外側
2.根據權利要求1所述的高樁碼頭樁頂鉸接結構，其特征在于，所述環形底板(011)采用20錳鋼材料制成，厚度為10 20mm，外徑同樁徑、內徑大于抗剪鋼管(031)的外徑3 5cm以上。
3.根據權利要求1所述的高樁碼頭樁頂鉸接結構，其特征在于，所述鋼筋籠取小直徑， 小于50cm，鋼筋籠抗拉主筋(021)采用直徑不小于^mm的3級鋼或2級鋼，抗拉主筋配筋量應滿足樁頂的抗拉要求、且產生的最大彎矩宜小于樁身的允許抗彎值。
4.根據權利要求1所述的高樁碼頭樁頂鉸接結構，其特征在于，所述抗剪鋼管采用厚壁無縫鋼管，厚度不小于30mm。
5.根據權利要求1所述的高樁碼頭樁頂鉸接結構，其特征在于，所述中板可采用20錳鋼等材料制成，厚度為20 40mm，中板的內徑比抗剪鋼管外徑大1 2mm，外徑大于底板內徑不小于50mm。
6.根據權利要求1或11所述的高樁碼頭樁頂鉸接結構，其特征在于，所述頂板可采用20錳鋼材料制成，與中板接觸范圍的頂板厚度不小于20mm，內徑宜比抗剪鋼管的外徑大 1 2mm，外徑同樁徑。
全文摘要
本發明公開了高樁碼頭樁頂鉸接結構，適用于長分段高樁碼頭結構。該結構樁頂采用鋼板接觸，鉸接工作可靠，樁頂允許的相對轉角較大，產生的樁頂彎矩較小，能滿足長分段結構的鉸接要求；樁承擔的軸向壓力通過樁頂面受壓傳遞，抗壓性能可靠；鉸接結構可與下橫梁或樁帽連接，樁帽所需的高度較小，有利于提高施工水位，方便施工。
文檔編號E02B3/04GK102518080SQ20111042114
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者程澤坤, 陳奉琦, 陳明關 申請人:中交第三航務工程勘察設計院有限公司