应用英标（BS规范）进行码头钢管桩及地锚设计

应用英标（BS）进行码头钢管桩及地锚 应用英标(BS规范)进行码头钢管桩及地 锚设计 2012年1月 第1期总第462期 水运工程 Port&WaterwayEngineering Jan.2012 No.1SerialNo.462 卫应用英标(BS规范)进行码头钢管桩及地锚设计王锦 (中船第九设计研究院工程有限公司,上海200063) 摘要:结合新加坡某码头设计实例,介绍了应用英标(BS规范)进行钢管桩和地锚设 计的基本原则,列出了一般的设 计和所遵循的相关规范.结合现场试验数据,对地锚的结构设计进行优化,同 时对新加坡地区地锚的设计参数给出了 建议. 关键词:BS规范;钢管桩;地锚 中图分类号:TU473.1文献标志码:A文章编号:1002—4972(2012)01—0059—05 ApplicationofBritishstandardsfordesignofsteelpileandgroundanchorinnewpier WANGJin (ChinaShipbuildingNDRIEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200063,China) Abstract:ThispaperintroducestheapplicationofBritishstandardsforthedesignofsteelpilea ndground anchorinnewpierinSingapore,listsgeneraldesignprocessandrelevantcodes.Combiningwithfieldtestdata, thispaperpresentsanoptimizationofthestructuraldesignforthegroundanchor.Furthermore ,practicabledesign parametersforgroundanchorareproposedfortheengineeringinSingapore. Keywords:Britishstandards;steelpile;groundanchor 1工程概况 新加坡东北部某船厂扩建码头,码头长 245m,宽25m,码头面高程为8.00m,结构采用 高桩梁板式,结构断面如图l所示. 地质资料揭示,约有120m长度的码头区域, 基岩面埋藏较浅,且上覆土层土质差,该区域地 质钻孔资料如表l所示. 表1地质资料 为满足施工期的稳桩,码头桩基采用钢 管桩.同时,码头在使用期需要承受较大的水平 荷载,因此,在钢桩底部设置地锚以增加钢管桩 的抗拔承载力. 2结构设计 2.1钢管桩结构设计 2.1.1材料设计(BSEN10210—1) 选择S275JOH型钢材.钢材的抗压屈服强度 不低于265MPa,抗拉强度不低于410MPa. 2.1.2防腐设计(BS6349—1:2000) 钢管桩采用自身防腐,设计壁厚为20mm.钢 管桩的腐蚀速率为:水下区0.04mm/a,浪溅区 0.08mm/a,泥面以下0.015mm/a.本次设计中采用 收稿日期:201l一06一l3 作者简介:王锦(1978一),男,硕士,工程师,主要从事水工及特种工程,岩土工程等领 域的工程设计工作. 水运工程2012生 图1码头结构断面 0.08mm/a计算腐蚀厚度.本码头使用基准期为 30a,因此,腐蚀厚度为30a×0.08mm/a=2.4mm. 2.1.3结构设计(BS5950—1:2000) 1)计算条件. 钢管桩尺寸:内径760mm;外径D=795.2mm; 壁厚拉17.6mm(考虑腐蚀厚度);钢材等级为 $275;设计强度p=265MPa;弹性模量E=205GPa; 截面积4=0.043m2;截面模量Z=O.00818m. 2)拉弯组合截面承载力验算(BS5950—1: 20004.8.2.2). 鲁+鲁?1(1)PtM,\ 式中:为临界截面轴向拉力值(kN);M为临界 截面最大弯矩值(kN?m);P,为截面受拉承载能 力(kN);Mc为截面受弯承载能力(kN?m). p=11395kN p2=2154kN'm 3)压弯组合截面承载力验算(BS5950—1: 20004.8.3.2). +??(2) 式中:F为临界截面的轴向压力值(kN);M为 临界截面的最大弯矩值(kN?m). p=1l395kN 由式(1)和(2)可以得到钢管桩桩身结构 轴力一弯矩相互作用曲线,如图2所示. 2400. 20 1600. /囊 /l200. //?' /400'/ 图2桩身结构轴力一弯矩相互作用曲线 4)压曲稳定(BS5950—1:20004.8.3.3.1). 鲁+?l(3)PcpvZ, 鲁+?1(4)PrMh,, 式中:F为钢管桩轴向压力值(kN);Pc=A~p.= 8514kN,Pc为计算压曲稳定抗压强度,根据 BS5950—1:20004.7.2条款,由钢管桩长细比查 BS5950一l:2000表23和表24确定;m为等效弯 矩系数(BS5950—1:2000表26);M为桩身最 大弯矩(kN?In);pyZ=2154kN?in;M6为桩 身压曲抵抗弯矩(kN?In)(BS5950—1:2000 4.3.6.1);对于钢管桩,Mb=Mc;mr为等效弯矩 系数(BS5950一i:2000表l8);为安全起见,取 m=1.0和mLr=1.0. 因此,得到压曲稳定轴力一弯矩相互作用曲 第1期王锦:应用英标(Bs规范)进行码头铜管桩及地锚设计?61? 线,如图3所示. 02000400060008000l0000 轴力/kN 图3压曲稳定轴力一弯矩相互作用曲线 剂 2.2地锚结构设计 2.2.1地锚结构 通过对码头结构进行整体计算,钢管桩所承受 的最大工作拉力为894.0kN.由于桩侧摩阻力所能 提供的抗拔承载力不能满足要求,所以在桩底设置 地锚以提供足够的承载力.地锚结构如图4所示. 用于码头或者系缆墩斜桩下的地锚结构主要 适用于可以较易成孔的硬土层或者基岩层.上部 结构的上拔力先传递到钢管桩桩身,然后通过地 锚在钢管桩内的传递部分传递给地锚在土(岩) 层内的受力结构.地锚主要由高强钢筋和灌浆体 图4地锚结构 组成.地锚的施工顺序依次为:施打钢管桩一高 压水枪清除桩身内土塞至一定深度一成孔装置进 行成孔,清孔一安放高强钢筋,施工灌浆体. 目前英标(BS)规范中尚无专门针对以上地 锚结构形式的设计规范.设计采用的技术参数主 要参照BS808l规范进行,相关规定如下: i)灌浆体与土(岩)体之间侧摩阻力的取 值.对于岩石,当缺乏现场试验资料时,灌浆体 与岩体之间极限侧摩阻力可取岩石无侧限抗压强 度的1O%,且不大于0.4MPa. 2)钢筋与灌浆体之间握裹力的取值. 对于光圆钢筋:握裹力?0.1MPa;对于变形 钢筋:握裹力?0.2MPa. 3)安全系数取值.对于用于永久结构的地 锚,结构设计最小安全系数分别为:高强钢筋本 身2.0,灌浆体与土(岩)体间侧摩阻力3.0,灌 浆体与高强钢筋问握裹力3.0,抗拔试验安全系数 为1.5. 2.2.2地锚结构设计 1)地锚高强钢筋自身结构承载力验算. 结构安全系数=结构极限承载力殷计工作荷载 钢筋极限承载力?y y=1.15(BS5400:Part4:1990,4.3.3.3) f,=5ooMPa 本工程选取4根40钢筋作为地锚受力钢筋. 极限承载力=2185kN,结构安全系数为2.44>2.0. 2)灌浆体与土(岩)体间承载力(侧摩阻 力)验算. 岩土安全系数=岩土极限承载力/设计工作荷载 岩土极限承载力=ndfLs(5) 式中:d为地锚外径,d=0.30m;为地锚与岩土之 间的摩阻力,f~=25okPa;功地锚在岩土中的锚 ? 62?水运工程2012丘 固长度. 岩土极限承载力=设计工作荷载×安全系数= 2682kN 地锚锚固长度=极限承载力/(1T)=l1.38In 取Lc=11.50m,岩土安全系数=3.03>3.0. 3)地锚与桩壁之间摩擦力验算. 摩擦安全系数=摩擦极限承载力股计工作荷载 摩擦极限承载力=7cdfPL(6) 式中:d为钢管桩内径,d=0.76rn;_厂P为地锚与 桩壁的侧摩擦力,fp=400kPa;Lb为地锚在桩内的 传递长度. 摩擦极限承载力=设计工作荷载×安全系数= 2682kN 传递长度=摩擦极限荷载/(7cd)=2.81m ff3~Lb=3.00m,摩擦安全系数=3.20>3.0. 4)地锚设计参数. 地锚外径d=0.30m;地锚在岩土体中锚固长 度F11.50m;无收缩水泥灌浆强度等级为C40; 地锚在桩身内传递长度厶=3.00m;地锚配筋为 4T40;地锚抗拉设计工作荷载为894kN. 3设计验证 本工程目前钢管桩和地锚施工均已完成,且 现场也完成相关试验的检测.其中,进行了1组静 动重载试验,6组大应变试验和17组地锚拉拔试 验,试验结果均满足设计要求. 采用了较先进的静动重载试验代替了传统 的水上静载试验,既节约了工期,又做到了经 济合理.静动重载的试验现场和试验结果如图5 和6所示. 图5静动重载试验现场 0 . 5 - 15 — 20 . 25 注:试验桩号E25;最大荷载7.58MN; 最大位移19.9mm;最大静阻力727MN 图6静动重载试验结果 地锚抗拔试验需要将高强钢筋接长至钢管桩 桩顶,在桩顶安装拉拔试验装置即可进行.每组 地锚抗拔试验进行3个加载一卸载循环.在具体现 场施工过程中,原设计地锚在岩石中的锚固长度 为11.50m,通过对已施工地锚进行拉拔试验,发 现拉拔过程中地锚产生的位移量较小,可以优化 地锚长度.因此,根据当地经验,经过计算,将 地锚在岩石中的锚固长度缩短为7.8m.图7为优化 前试验曲线,地锚编号为F3l.图8为优化后试验 曲线,地锚编号为C23. 1 1 l 堇 惶 位移量/ram 图7F31地锚抗拔试验结果(优化前) 位移量/mm 图8C23地锚抗拔试验结果(优化后) 00 00 第1期王锦:应用英标(BS规范)进行码头钢管桩及地锚设计?63? 需要说明的是,试验曲线中所示的位移是 由自由段钢筋伸长量和地锚本身位移量两部分组 成.自由段钢筋的伸长量可以通过材料力学公式 计算得出,即:地锚顶端至桩顶端自由段钢筋在 1.5倍工作拉力作用下的伸长量. 表2是地锚长度优化前后数据对比,由表2可 以看出,地锚长度优化前后位移量变化不大,均 小于15mm. 表2地锚长度优化前后数据对比 注:1.地锚长度缩短后上拔位移量略小于原设计长度的上拔位移量,经分析是由于 地锚所处位置不同地质条件所造成;2.由于地锚试验数 量较多,仅列出F31及C23号地锚数据. 4结语 I)BS规范中,钢管桩桩身结构设计是基于 压杆稳定的概念进行,最终成果为轴力一弯矩相互 作用曲线. 2)地锚设计的关键在于灌浆体与土层之间 侧摩阻力的取值,如果取值过于保守,将导致 地锚长度过长;可以通过现场一定数量的拉拔 试验结果最终确定地锚长度.本例中,取值为 400kPa;通过现场试验,建议在新加坡地区岩层 内,取值可为500kPa. 3)静动重载试验具有时间短,费用低,试 9雏 (上接第58页) 验数据精确和应用范围广等优点,建议国内逐步 引进此项技术,将极大提高工程的实施效率. 参考文献: [1]BS6349Marinestructures—Part1:Codeofpracticefor generalcriteria[S]. 【2]BS5950Structuraluseofsteelworkinbuilding—Part1:Code ofpracticefordesigninsimpleandcontinuousconstruction: hotrolledsections[S]. 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