大能量柴油打樁錘替打結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與應(yīng)用

用用1, 2, 1(11市52840;21市100027)摘:對柴油打樁錘錘擊能量損失的原因和由于替打結(jié)構(gòu)不合理所造成的能量損失進(jìn)行了分析研究,根據(jù)研究結(jié)果對替打結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化設(shè)計,有效地解決了能量損失過大的難題,提高了替打的耐久性和柴油打樁錘的工作效。關(guān)鍵:柴油打樁;替;能量損;結(jié)構(gòu)優(yōu);應(yīng)用效果海上鋼管樁采用配備大型柴油錘的打樁船進(jìn)行錘擊沉,替打作為錘擊沉樁的能量傳遞設(shè)備,兼有保護(hù)樁頭的作,同時也是錘擊沉樁過程中造成能量損失最大的設(shè)備之,并因其作為抗擊打構(gòu)件而容易損。在杭州灣跨海大合同鋼管樁沉樁過程中經(jīng)歷了打樁替打的優(yōu),替,損,,。杭州灣跨海大橋的北航道橋高墩區(qū)引橋基礎(chǔ)采用鋼管樁結(jié),共有732根,鋼管樁直徑為160m,樁7～85m,上45m壁厚22m,下部壁厚為20m各樁均為斜,斜率有6:6∶、7∶8∶10∶15∶1及20∶。橋區(qū)土層的中下層位主要為砂層和亞粘土層,砂層厚度最大達(dá)26m,土體標(biāo)貫擊數(shù)N值較,其1 問題提出2004年5月24日,我公司杭州灣大橋項目使用德國生產(chǎn)的打樁錘配備吊鐘式替打開始打入樁作。11 打樁錘性能42柴油錘是2002年底從德DLMAGD150-國購置的,是當(dāng)時世界上打擊能量最大的柴油打樁錘,該錘主要性能參數(shù):上活塞重量150N;最大沖量34m;最大沖擊能量5115Nm;沖擊次數(shù)3～52次mn;最大打斜樁的斜度1∶;錘體重量330N。12 吊鐘式替打吊鐘式替打?qū)嵨镆妶D1所。中砂砂層與亞粘土互層的標(biāo)貫擊N大于5。圖1吊鐘式替打收稿日:2006-01-232006年第3期謝漢林2006年第3期謝漢林:大能量柴油打樁錘替打結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與應(yīng)用—115—121工作原理此類型替打內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu),錘擊能量通過替打的四周鋼結(jié)構(gòu)傳遞至底部鋼板上,再由底部鋼板結(jié)構(gòu)傳遞到鋼管樁的頂部,以實現(xiàn)沉。122材料一般選用Q235或45號鍛,厚度為3～50mm的厚鋼板加,上部承擊鋼板(蓋板)厚度約為8～110mm。123加工方法此類型替打焊接而成,所用焊條均為結(jié)構(gòu)鋼J506焊,所有連續(xù)焊接縫厚度均大于30mm以上,即連續(xù)堆焊接,以確保焊接部件的強(qiáng)。焊接完成后,進(jìn)行整體熱處理,以消除焊接過程產(chǎn)生的焊接應(yīng)力,避免使用過程中因焊縫殘余應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力作,降低發(fā)生脆性開裂的出現(xiàn)機(jī)。13施工效果最初施工的4根打入樁分別高出設(shè)計標(biāo)高61m56m13m43m,并且錘擊次數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常,分別為821760205914、4136錘,打樁時間分別為3h12m2h38m、2h33mn和1h44m這樣的生產(chǎn)效率根本無法滿足工程進(jìn)度的要求,而且柴油打樁錘超負(fù)荷長時間工,將大大降低設(shè)備的使用壽。針對這種情況,我們對替打進(jìn)行了改進(jìn),將起緩沖作用所墊的鋼絲繩,由原來的3層改為1層,以減少錘擊能量的損失,取得了一定的效錘擊300～4600次左右便能沉樁到位,但錘擊數(shù)仍然偏,且替打損壞十分嚴(yán)重,經(jīng)常要對替打進(jìn)行大規(guī)模的焊,嚴(yán)重影響施工的連續(xù),生產(chǎn)效率十分低,項目施工陷入了十分被動的局。此后,業(yè)主安排其他單位的打樁船在我項目上述施工區(qū)域試打10根。其打樁船安裝的是荷蘭HC公司生產(chǎn)的S280液壓打樁,最大打擊能量280Nm從打擊能量上看小于我公D150柴油打樁,但實際沉樁效果遠(yuǎn)好D150柴油打樁錘的沉樁效,10根樁的平均錘擊數(shù)在2200錘左。最大打擊能量為5115Nm的D150柴油打樁錘的工作能力不如最大打擊能量為280Nm液壓打樁錘?經(jīng)過研究我們發(fā),二者的主要差別在于打擊過程的能量損失據(jù)有關(guān)資料顯示,柴油打樁錘的能量損失一般在60～70%,而液壓打樁錘的能量損失20～30%之如果按此計算,二者作用在樁頂?shù)拇驌袅κ窍嗖顭o幾由此證明,我們的D150柴油打樁錘的能量損失已經(jīng)超出了60～70%的范據(jù)有關(guān)資料還可以知道,柴油打樁錘的能量損失主要來自以下幾個方:(1)柴油爆炸過程的能量損失約為30%;(2)摩擦(撞活塞環(huán)磨劣質(zhì)柴油)損失約為10%;(3)大氣污染損失(空氣濕溫度和粉塵的影響)約為5～10%;(4)替打及緩沖墊的損失約為15%。前3項來自于柴油打樁錘工作原理或環(huán)境因素所帶來的固有損,是很難輕易人為改變。只有最后一項替打及緩沖墊的損失是可以根據(jù)替打的結(jié)構(gòu)形式和緩沖墊的材料而變化。因此我們對如圖2所示的替打的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了認(rèn)真的分。從現(xiàn)場反映的情況看,在沉樁施工中經(jīng)常出現(xiàn)替打開裂,我們認(rèn)為出現(xiàn)這種情,可能有兩方面的原:一是替打結(jié)構(gòu)不合,吸收的能量過;二是替打材質(zhì)和加工質(zhì)量存在缺。通過對替打加工過程和材質(zhì)的分析,我們排除了由此造成的替打損壞的原。從圖2的結(jié)構(gòu)形式分析,我們認(rèn)為造成能量損失的原因主要有以下幾個方:(1)替打上下蓋板直徑不同,中間傳遞能量的部分為圓錐形,由此產(chǎn)生了一個橫向分力,降低了柴油打樁錘的打擊能量的傳遞效;(2)替打長度將近2m,用鋼板焊接而成,替打的剛性,彈性,由于材料的彈性變形吸收了大量的能;(3)替打上蓋板厚度不,僅為110mm,打擊時出現(xiàn)彈性變形吸收能;(4)替打下端插入鋼管樁內(nèi)的定位部分長度太短,難以保持柴油打樁替打和樁的同心度,容易出現(xiàn)偏打現(xiàn),產(chǎn)生橫向分力,增加了側(cè)向摩擦阻力,降低了有效的打擊動;(5)因柴油打樁錘的打擊效率與樁重(包括替打重量)成反,而原替打整體重量過大(約20t),增2 原替打結(jié)構(gòu)分析針對杭州灣大橋項目出現(xiàn)打樁困難的情況,對DLMAGD150柴油打樁錘的能力以及杭州灣打樁工況及過程進(jìn)行了計算和分,以尋找打樁能力不足的原。并對柴油打樁錘和液壓打樁錘的工作原能量損失等技術(shù)問題進(jìn)行了深入研為什么—116—公路2006—116—公路2006年第3期:mm圖2吊鐘式替打結(jié)構(gòu)加了柴油打樁錘的工作負(fù)荷,因此降低了打樁效;(6)緩沖墊的材料和厚度不夠合,吸收能量過多,一般打鋼管樁多采用鋁合金,鋼絲繩緩沖墊多用于混凝土。通過以上分析可以看,該替打存在較大的結(jié)構(gòu)缺,致使柴油打樁錘的打擊能量不能有效地傳遞給鋼管樁,造成柴油打樁錘產(chǎn)生的打擊能量使用率降。陷,與大型柴油錘的匹配性極差,為此,我們探索研究新替,以滿足海上沉樁的需。31 提高替打沖擊力的理論依據(jù)(1)按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系:MV=F·t式:F為作用于替打的沖擊;t為作用替打的時由于動MV是常,因此沖F·t也是常量,當(dāng)F的作用時間t減小,F就增,從而提高了柴油打樁錘對替打的沖擊。(2)按在系統(tǒng)物體的碰撞中和牛頓第三定律來研究系統(tǒng)內(nèi)物體動量:3 替打的優(yōu)化經(jīng)過分析可知吊鐘式替打結(jié)構(gòu)存在較大的缺2006年第3期謝漢林:大能量柴油打樁錘替打結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與應(yīng)用—117—t到樁,癥結(jié)就在原替打存在較大的結(jié)構(gòu)缺。此后,我們再次對原替2006年第3期謝漢林:大能量柴油打樁錘替打結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與應(yīng)用—117—t到樁,癥結(jié)就在原替打存在較大的結(jié)構(gòu)缺。此后,我們再次對原替打和改進(jìn)后的替打缺陷進(jìn)行了全面的分析,在充分考慮了原有替打存在的消能因,以及改進(jìn)替打的材質(zhì)和加工缺,全面優(yōu)化并確定了新替打的結(jié)構(gòu)形式如圖3所。新替打主要由外定位內(nèi)沖擊緩沖墊板和打擊墊鐵四部分組。替打?qū)嵨镆妶D4所。33替打的材質(zhì)及加工要點(1)材。套體采用厚鍛鋼板和Q23A制作,內(nèi)沖擊、打擊墊鐵采用20號鍛,采用緩沖墊。(2)加工要。外定位套采用焊接加,與吊鐘式替打加工方法一;內(nèi)沖擊打擊墊鐵采取鍛造,并且經(jīng)過熱處值得指出的是,該類型替打芯體的表面必須高精度加,確保表面光潔度和平整度,杜絕凹凸不平或粗,否則會因局部點應(yīng)力過高,而出現(xiàn)裂。為緩解不平整造成的影響,充分利用接觸面,減少局部應(yīng),需要在打擊墊鐵與內(nèi)沖擊塊之間加上一塊～5mm厚度的鋁板(即為緩沖墊板),同時鋁板也起到緩沖錘的直接沖擊震動作。34替打的工作原理m1v1-m1v10=0(f11+f12++f1n+F1)dttm2v2-m2v20=0(f21+f22++f2n+F2)dttmnvn-mnvn0=0(fn1+fn2++fnn+Fn)dt但按牛頓第三定,在任一瞬時,每一內(nèi)力都滿足f12+f21=0,等等關(guān)系將上,f1n+fn1=0,面各式相加,得到系統(tǒng)內(nèi)各物體總動量的增量:m1v1+m2v2++mnvn-m1v10-m2v20-tt-mnvn0=0(F1+F2++Fn)dt=0(∑Ft)dt根據(jù)動量守恒定律可表示:在∑Fi=0條件,+mnvn=恒量0條件下:m1v1x+m2v2x+m1v1+m2v2+在∑Fix=mnvnx=恒量在∑Fiy=mnvny=恒量在∑Fiz=mnvnz=恒量+0條件下:m1v1y+m2v2y++0條件下:m1v1z+m2v2z++當(dāng)在替打重量大大降低的條件下,而式中右邊是恒,則鋼管所受的力為最。除此以,我們在焊接過程,為減少應(yīng)力采取了以下措:①采用合理的焊縫尺寸和形;②合理地安排焊縫位,盡可能對稱于截面中性軸,或者使焊縫接近中性;③盡可能減少不必要的焊縫,采用合理的焊接順序和方;④避免焊縫的過分集中和交;⑤避免在母材厚度方向上產(chǎn)生的收縮應(yīng)。熱理采用整體回火,控制6h的保溫時間,在10～200℃時再出爐空有效地消除了大鍛件的殘余應(yīng)力和焊接過程所產(chǎn)生的應(yīng)。32 新式替打的結(jié)構(gòu)新式替打由原來的圓錐形鋼板焊接式改為鋼板焊接圓柱加鍛件活絡(luò)式,對替打進(jìn)行了優(yōu),但由于時間倉,替打的選材和加工都存在一定的缺陷,造成替打開盡管如此,打樁效率仍然得到了明顯提高,在該替打損壞之前的貫入度12m,損壞后立即換上原替,貫入度變?yōu)?6m,由此進(jìn)一步證明,D150柴油打樁錘的打擊能量未能充分傳遞作用新替打采用了厚度較大(32m厚)的內(nèi)沖擊塊,放置在外定位套內(nèi)的結(jié)構(gòu)形,將柴油打樁錘的打擊能量通過內(nèi)沖擊塊直接傳到樁頂,有效地減少了打擊能量的損內(nèi)沖擊塊采用了低碳鋼鍛,鍛造后再進(jìn)行熱處,以消除材料鍛造產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)。另外內(nèi)沖擊塊設(shè)計了較長的十字支撐結(jié)構(gòu)的裙部插入鋼管樁內(nèi),以控制樁與替打的相對位置,保證同心。外定位套的作用用于控制替樁柴油打樁錘以及鋼管樁的相對位。內(nèi)沖擊塊在外定位套中滑動,柴油打樁錘的打擊能量基本不會傳給外定位套,避免了替打的損內(nèi)沖擊塊上部放置鋁合金墊板作為緩沖,緩沖墊上放置一塊厚度為200mm的鋼板作為打擊墊。優(yōu)化后的替打重量大大降低了(約為5t),減少了柴油打樁錘的工作負(fù)。4過程驗證新替打正式投入使用,3d將7根樁沉樁到位,其中有兩天每天沉樁3根,7根樁最少的錘擊數(shù)2942次,最多錘擊數(shù)為4390次,沉樁有效能量得明顯提7根樁的總錘擊數(shù)超過25000次,新替打未見變形和損,初步證明優(yōu)化的新替打基本成—118—公路2006—118—公路2006年第3期:mm新替打結(jié)構(gòu)形式當(dāng)時柴油打樁錘的活塞環(huán)磨損嚴(yán),使打擊能量及沖擊次數(shù)都大打折,無法發(fā)揮打樁錘的最大打擊能。另外新替打剛剛投入使用,盡管經(jīng)過熱處理,但內(nèi)部應(yīng)力仍未能得到充分釋。因此,我們要求不要用最大打擊能量打。柴油打樁錘更換新活塞環(huán)后再次沉,2d共沉樁10根,最少錘擊數(shù)為1979次,最多錘擊數(shù)為3765次,沉樁效率得到進(jìn)一步提。10根樁的平均錘擊數(shù)為2500次,總錘擊數(shù)超過25000次,新替打仍然未見變形和損。此后再次沉樁,3d共完成18根樁的沉樁作業(yè),最少錘擊數(shù)1473次,最多錘擊數(shù)2743次,沉樁效率再一次得到提,替打仍然未見變形和損至此新替打已完成35根樁的沉樁作業(yè),錘擊數(shù)接近10萬次,未見變形和損。圖3圖4新替打?qū)嵨?006年第3期謝漢林:大能量柴油打樁錘替打結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與應(yīng)用—119—通過施工已經(jīng)充分證明替打的優(yōu)化是成功。和最終貫入,以及日沉樁根數(shù)及替打使用情2006年第3期謝漢林:大能量柴油打樁錘替打結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與應(yīng)用—119—通過施工已經(jīng)充分證明替打的優(yōu)化是成功。和最終貫入,以及日沉樁根數(shù)及替打使用情況進(jìn)行比:錘擊數(shù)及貫入度比較見表。B19號墩的其中23根樁使用D150錘配吊鐘式,為16d,均14d,5 應(yīng)用效果B1B2B21三墩73m樁長為,從錘擊數(shù)表1舊替打使用比較使用4個替,全部開報;而B2B21號墩包B19號墩的1根樁,共49根樁,使用優(yōu)化后的套筒式替,凈沉樁時間為13d,平均38根d,使用1個替打,替打仍保持良好狀,工效提高了近3。并且,本工程剩余的樁長為7～85m共612根鋼管樁,同時將D150升級為D180大能量打樁錘配合套筒式替打施工后,平均每天沉樁～8根,日沉樁最高記錄達(dá)13根,之后僅增加1個替打就提前完成了全部沉樁任務(wù),施工過程中套筒式替打僅出現(xiàn)兩次局部焊修,現(xiàn)仍保持較好的使用性能,還可繼續(xù)使。2005年11月26日,在北京釣魚臺國賓館召開中國企業(yè)新紀(jì)錄(第10批)新聞發(fā)布會暨中國企業(yè)新紀(jì)錄10周年總結(jié)表彰大,我公司共有6項技術(shù)新紀(jì)錄獲表彰,其中兩項是優(yōu)化替打后取得:(1)杭州灣跨海大橋項目部的套筒式節(jié)替打,創(chuàng)國內(nèi)大直超長橋梁基礎(chǔ)鋼管樁沉替打錘擊耐久性新記;(2)直徑為16m樁長85m鋼管,以1338錘沉樁到位,創(chuàng)