特大橋臨時(shí)支墩承壓靜載實(shí)驗(yàn)監(jiān)控要點(diǎn)

PAGE161工程概況XX特大橋鋼桁梁采用鋼管樁臨時(shí)支墩配合對(duì)稱懸拼的架設(shè)方案，鋼管樁采用螺旋焊鋼管，根據(jù)各臨時(shí)墩設(shè)計(jì)承載力的大小，鋼管樁尺寸從φ610×10、φ1220×10到φ1420×10不等，各鋼管樁設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。兩邊跨分別搭設(shè)5個(gè)臨時(shí)支墩用于邊跨鋼桁梁的拼裝，兩主跨跨中搭設(shè)兩個(gè)臨時(shí)支墩作為合龍段鋼桁梁支撐及調(diào)整的反力結(jié)構(gòu)（考慮到抗風(fēng)的穩(wěn)定性要求，廈門側(cè)主跨增加一個(gè)臨時(shí)支墩g），全橋共采用15個(gè)臨時(shí)支墩。圖1鋼桁梁懸拼架設(shè)示意圖目前廈門側(cè)邊跨臨時(shí)支墩已經(jīng)施工完畢，廈門側(cè)中跨f號(hào)臨時(shí)支墩（靠近72號(hào)主墩）大部分鋼管樁入土深度超過了25m（設(shè)計(jì)入土深度27m），另有一根鋼管樁入土深度22m，且使用目前的振動(dòng)打樁錘無法將其進(jìn)一步打入地基。由于鋼管樁的豎向承載力與其入土深度有直接的關(guān)系，即入土深度越大，其承載力越大，在鋼管樁入土深度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下，其承載力沒有保證，因此建議選取f號(hào)臨時(shí)墩部分鋼管樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)以測試其豎向承載力。圖2f號(hào)臨時(shí)墩鋼管樁編號(hào)及實(shí)際入土深度表1各鋼管樁設(shè)計(jì)參數(shù)墩號(hào)abcdef(廈門側(cè))f(深圳側(cè))hf’(廈門側(cè))f’(深圳側(cè))e’d’c’b’a’鋼管樁型號(hào)(mm)螺旋焊φ610×10螺旋焊φ610×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1210×10螺旋焊φ1420×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ1420×10螺旋焊φ1420×10螺旋焊φ1220×10螺旋焊φ610×10螺旋焊φ610×10鋼管樁入土深度(m)272734273426262732323938412326單根鋼管樁長度(m)68.468.978.471.680.0873.173.275.280.080.084.883.08565.968.4每個(gè)臨時(shí)墩鋼管樁數(shù)444446646644444每個(gè)橫斷面臨時(shí)墩個(gè)數(shù)222222222222222鋼管樁總重量(kg)81836.781005.3187470.0171210.0223215.4262195.1262554.0179818.2286944.0286994.0236239.2231169.0203252.078273.481242.8每側(cè)墩頂受力(t)1281474916776894863424404814866896774911471282試驗(yàn)的必要性、內(nèi)容及依據(jù)2.1試驗(yàn)的必要性臨時(shí)支墩對(duì)于XX特大橋鋼桁梁的拼裝來說是一個(gè)特別重要的臨時(shí)構(gòu)件，它起到支撐鋼桁梁自重以及懸拼吊機(jī)等臨時(shí)荷載的作用。在鋼桁梁架設(shè)的過程中，隨著上部結(jié)構(gòu)重量的逐漸增大，臨時(shí)墩上的反力也越來越大，因此臨時(shí)墩必須具備一定的承載力才能保證鋼桁梁拼裝過程中的穩(wěn)定和安全。鋼管樁的型號(hào)、尺寸、入土深度等參數(shù)是根據(jù)臨時(shí)墩的施工反力以及地質(zhì)勘察情況來設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)所參照的地質(zhì)狀況可能與實(shí)際情況有些差別，導(dǎo)致鋼管樁的實(shí)際承載力與設(shè)計(jì)值有出入。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》以及《XX特大橋鋼桁梁懸拼施工臨時(shí)墩設(shè)計(jì)圖》的要求，應(yīng)對(duì)鋼管樁進(jìn)行單樁承載力試驗(yàn)。另外，就f號(hào)臨時(shí)支墩的施工情況來看，有一根鋼管樁入土深度22m，其他鋼管樁的入土深度都超過了25m，但是尚未達(dá)到設(shè)計(jì)的27m。因此，鋼管樁的承載力就更加不明確，所以有必要依據(jù)相關(guān)規(guī)范選取部分鋼管樁進(jìn)行試驗(yàn)，測試其豎向承載力，以確保鋼桁梁架設(shè)過程中的安全。2.2試驗(yàn)內(nèi)容本次試驗(yàn)?zāi)康氖菧y試鋼管樁的豎向承載力。其加載方法、加載步驟和試驗(yàn)結(jié)果分析都按照相關(guān)規(guī)范的要求來進(jìn)行，主要包括如下內(nèi)容：(1)根據(jù)臨時(shí)墩施工情況選擇合適的鋼管樁作為本次試驗(yàn)對(duì)象；(2)根據(jù)現(xiàn)場條件設(shè)計(jì)合理的加載反力裝置；(3)待試驗(yàn)準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行現(xiàn)場加載并測試沉降量；(4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)鋼管樁的承載力。2.3試驗(yàn)依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-94)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2002)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)《鐵路橋涵施工規(guī)范》(TB10203-2002)《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2003)《XX特大橋施工計(jì)算書》《XX特大橋鋼桁梁懸拼施工臨時(shí)墩設(shè)計(jì)圖》3試驗(yàn)方案3.1加載反力裝置對(duì)于單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，工程上常采用的加載裝置有：壓重平臺(tái)反力裝置、錨樁橫梁反力裝置、錨樁壓重聯(lián)合反力裝置、地錨反力裝置。由于XX特大橋臨時(shí)支墩是在水中作業(yè)，如果采用壓重平臺(tái)反力裝置，則需要額外搭設(shè)支護(hù)系統(tǒng)來構(gòu)建龐大的壓重平臺(tái)，施工難度會(huì)加大，而且大大增加了成本。若采用錨樁橫梁反力裝置，則對(duì)錨樁的抗拔承載力有較高的要求，根據(jù)《XX特大橋鋼桁梁懸拼施工臨時(shí)墩設(shè)計(jì)圖》和《XX特大橋施工計(jì)算書》對(duì)鋼管樁的設(shè)計(jì)驗(yàn)算來看，由于鋼管樁實(shí)際入土深度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其抗拔承載能力的安全系數(shù)比較低。綜合考慮鋼管樁的設(shè)計(jì)參數(shù)及現(xiàn)場條件之后，決定采用錨樁壓重反力聯(lián)合裝置進(jìn)行加載。選取f號(hào)臨時(shí)墩下游側(cè)20號(hào)鋼管樁為試驗(yàn)對(duì)象。加載反力裝置示意圖如下圖3所示，詳細(xì)構(gòu)造圖見附件1。圖3加載反力裝置示意圖加載原理：選取縱橋向的三根鋼管樁搭設(shè)加載反力裝置，中間的鋼管樁作為試驗(yàn)樁，兩邊為輔助樁提供抗拔的反力。將兩個(gè)輔助樁加高并用鋼梁連接起來，鋼梁上面堆載重物，千斤頂置于試驗(yàn)樁和鋼橫梁之間，通過千斤頂頂推產(chǎn)生的反力來實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)樁加載。千斤頂和油泵事先標(biāo)定好，這樣可以對(duì)試驗(yàn)所施加的荷載大小、速度進(jìn)行控制。本加載裝置的特點(diǎn)：①采取壓重和抗拔樁聯(lián)合作用可滿足本次試驗(yàn)的加載的要求；②壓重材料可就地取材選用已經(jīng)加工好的工字鋼，鋼材密度大、強(qiáng)度高，可以減小試驗(yàn)裝置的空間，而且增加了穩(wěn)定性。③輔助抗拔樁直接利用已經(jīng)振打完畢的工程樁，無需額外搭設(shè)臨時(shí)構(gòu)件，從而減小施工難度，節(jié)約施工時(shí)間，并大大降低了試驗(yàn)成本；④加載方便、快捷、可操作性強(qiáng)。3.2加載裝置驗(yàn)算試驗(yàn)樁最大加載量為200噸，初步計(jì)劃堆載60噸重物，其余的140噸反力則由兩根輔助樁提供。輔助樁抗拔承載力計(jì)算:根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.2.18.2條計(jì)算公式，基樁抗拔極限承載力按下式計(jì)算：Uk=1uqsikli式中：1為抗拔系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取0.77；u為樁身周長，u=πd=π×1.22=3.83m；qsik為樁側(cè)表面第i層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)相關(guān)規(guī)范取值；21號(hào)樁入土深度最淺，為受力最不利樁，將各設(shè)計(jì)參數(shù)代入公式可得：Uk=0.77×3.83×(5×9.56+44×6.25+16×6.2)=1245KNUk=1245KN大于實(shí)際加載時(shí)每根鋼管樁的最大上拔力700KN，滿足要求。設(shè)計(jì)資料a.基樁設(shè)計(jì)參數(shù) 成樁工藝:鋼管樁 承載力設(shè)計(jì)參數(shù)取值:人工填寫 孔口標(biāo)高0.00m 樁頂標(biāo)高0.00m 樁身設(shè)計(jì)直徑:d=1.22m 樁身長度:l=27.00m 樁尖端部構(gòu)造形式:敞口b.巖土設(shè)計(jì)參數(shù)層號(hào)土層名稱層厚(m)層底埋深(m)極限側(cè)阻力qsik(kPa)極限端阻力qpk(kPa)1淤泥質(zhì)土9.569.56502中砂6.2515.814403粘性土8.6124.421610004粗砂14.3938.815640003．計(jì)算參數(shù)表土層計(jì)算厚度li(m)極限側(cè)阻力qsik(kPa)極限端阻力qpk(kPa)19.565026.2544038.6116100042.58564000連接兩根輔助樁的主橫梁是整個(gè)結(jié)構(gòu)受力的最重要的構(gòu)件。千斤頂對(duì)主橫梁的頂推力通過次橫梁轉(zhuǎn)換為對(duì)稱的兩部分（最大按70噸計(jì)算），這樣可以大大降低了主橫梁的跨中彎矩。主橫梁整體受力明確，可直接驗(yàn)算其強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖如下圖4所示。圖4主橫梁結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖主橫梁采用3×焊接工500(440×16+350×30)，計(jì)算參數(shù)如下：，，，最大剪力：最大彎矩：最大彎曲應(yīng)力：最大剪應(yīng)力：主橫梁強(qiáng)度滿足要求。

整體有限元計(jì)算:此外，利用ANSYS程序建立了加載裝置的有限元模型（下圖5所示），來模擬主要部位的受力情況，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，判斷其中受力較為不利的部位，并對(duì)加載裝置細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行修改，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。圖5有限元模型下圖6是最大加載等級(jí)時(shí)結(jié)構(gòu)的變形圖，從圖中可以看出，主橫梁向上彎曲變形，在跨中處達(dá)到最大值（豎向位移5.5mm）。圖6結(jié)構(gòu)變形圖下圖7是結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力圖，從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)中絕大部分應(yīng)力小于100MPa，符合材料的受力要求。受到主梁向上彎曲變形的影響，樁頂蓋板與鋼管樁靠近內(nèi)側(cè)的連接部位拉應(yīng)力較大。圖8是放大后的局部應(yīng)力圖，從圖中可以看出，加勁鋼板與鋼管樁連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯，此處受力較為不利，設(shè)計(jì)時(shí)參考了模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)此處的加勁鋼板進(jìn)行了加密、加厚。圖7結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力圖圖8局部應(yīng)力圖3.3加載、卸載方式根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的要求，單樁靜載試驗(yàn)宜采用維持荷載法進(jìn)行逐級(jí)等量加載。利用千斤頂加載前先將壓重鋼材堆放至加載裝置上，其擺放位置及順序見附件2。本次試驗(yàn)加載等級(jí)共分為九級(jí)，其中第一級(jí)加載40噸，以后每級(jí)按照20噸增加一直到試驗(yàn)最大荷載200噸，具體步驟為：0→40噸(加載)→60噸(加載)→80噸(加載)→100噸(加載)→120噸(加載)→140噸(加載)→160噸(加載)→180噸(加載)→200噸(加載)→160噸(卸載)→120噸(卸載)→80噸(卸載)→40噸(卸載)→0。加載及卸載步驟遵照如下主要原則：1、每級(jí)荷載維持時(shí)間為1h，是否延長維持荷載時(shí)間應(yīng)根據(jù)樁頂沉降收斂情況確定。2、當(dāng)樁頂沉降速率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，再施加下一級(jí)荷載。3、卸載同樣分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)卸載量取加載時(shí)分級(jí)荷載的2倍，逐級(jí)等量卸載。4、加、卸載時(shí)應(yīng)使荷載傳遞均勻、連續(xù)、無沖擊，每級(jí)荷載在維持過程中的變化幅度不得超過分級(jí)荷載的±10%。在每級(jí)加載、卸載完畢后的持載過程中，對(duì)試驗(yàn)樁及輔助樁進(jìn)行沉降觀測，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。3.4注意事項(xiàng)①加載裝置中的主橫梁、次橫梁及墊梁的材料選取必須保證焊接工字鋼表面的平整度，以達(dá)到三根工字鋼均勻受力的效果，避免加載時(shí)單根受力過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。②加載裝置的制作應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖上的要求進(jìn)行，特別注意各焊接部位要保證焊縫的質(zhì)量符合要求。③加載裝置的制作在水上作業(yè)，注意施工安全④加載時(shí)，千斤頂必須對(duì)準(zhǔn)上下工字鋼中心部位，避免結(jié)構(gòu)偏載受力。⑤當(dāng)加載噸位較大時(shí)，現(xiàn)場技術(shù)人員應(yīng)注意觀察加載裝置的關(guān)鍵部位（如主梁與樁頂蓋板連接處、蓋板與鋼管樁連接處等）有無焊縫開裂或者出現(xiàn)嚴(yán)重變形，如有上述情況發(fā)生，應(yīng)立即停止加載，防止局部受力過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。⑥在每級(jí)加、卸載過程中，觀測并記錄樁頂沉降量，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可終止加載：Ⅰ某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的5倍。注：當(dāng)樁頂沉降能相對(duì)穩(wěn)定且總沉降量小于40mm時(shí)，宜加載至樁頂總沉降量超過40mm。Ⅱ某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，且經(jīng)24h尚未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。Ⅲ已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載量。Ⅳ當(dāng)荷載沉降曲線呈緩變型時(shí)，可加載至樁頂總沉降量60～80mm；在特殊情況下，可根據(jù)具體要求加載至樁頂累計(jì)沉降量超過80mm。3.5人員安排表2試驗(yàn)人員統(tǒng)計(jì)表崗位工作職責(zé)總指揮把握進(jìn)度、下達(dá)控制指令千斤頂操作員千斤頂油壓控制應(yīng)力測試員及時(shí)測試應(yīng)力結(jié)果，把握進(jìn)展動(dòng)態(tài)位移測試員千分表讀數(shù)及水準(zhǔn)儀讀數(shù)，把握進(jìn)展動(dòng)態(tài)工人A全程協(xié)助工人B全程協(xié)助3.6試驗(yàn)儀器設(shè)備及材料試驗(yàn)用到的儀器設(shè)備有：1、頂推式千斤頂；2、油泵；3、精密水準(zhǔn)儀；4、大量程百分表；5、BGK-4000振弦式應(yīng)變計(jì)；6、BGK-408振弦式頻率儀。試驗(yàn)所需材料統(tǒng)計(jì)見下表3。

表3材料統(tǒng)計(jì)表名稱截面形式長度(m)數(shù)量(根)備注主橫梁3×焊接工500(440×16+350×30)9.421+（3）必須保證三根工字鋼表面的焊接平整度，其中括號(hào)內(nèi)三根試堆后再定次橫梁