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摘 要：组合钢管板桩码头作为一种新型的码头结构形式，兼具传统钢板桩和钢管桩的优点。组合式钢管板桩结构与传统的钢板桩结构相比，性能上更加优越，结构受力方面更加合理，对荷载和地质条件的适用性更强，具有较广阔的应用前景。本文以广州港某板桩码头为例，对组合钢板桩的受力特点进行分析，阐述了影响组合钢板桩耐腐蚀性的因素。
关键词：组合钢板桩;结构设计;钢管桩
中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）03-0075-03
钢板桩作为一种新型建材，具有安全可靠、节能环保、沉桩施工便利等特点。近年来，被广泛应用于港口码头建设中。随着码头建设向大型化、深水化发展，钢板桩的抗弯强度较低，自身刚度较差的特点逐渐显现出来。而钢管桩具有较强的强度，但是无法限制桩间的水土流失。结合钢板桩和钢管桩的优缺点，近年来出现了采用钢板桩和钢管桩组合形式作为板桩码头的结构形式。这种结构形式具备钢管桩和钢板桩的优点，又弥补了二者的不足。组合钢板桩是由钢管桩和不同的断面形式的板桩组合而成，主桩长度长而重量重，辅桩长度短而重量轻，主桩和辅桩交替设置。这种组合形式利用钢管桩刚度强的特点提高整体截面的刚度，使得组合墙的变形量减小，而且管桩和板桩通过一种特殊的锁扣相连，有很好的密闭性和传力性，能阻止水土流失和力的传递。本文以广州港一个组合钢板桩码头3#泊位为例，从组合钢管板桩的结构特点出发，对受力特点、施工难易等方面进行分析，并阐述了组合钢板桩的防腐蚀措施。
1工程概况
工程位于广州港某港区，码头水工建筑物包括1-2#泊位、挖入式港池3-10#泊位以及8#泊位端部与上游汽车滚装码头之间的衔接段主体结构。码头前沿作业地带顶高程3.5m。码头分两期建设。其中3#泊位，泊位长度179m。结构设计船型为5000DWT件杂货船。结构设计底高程为-9.7m。9个650KN系船柱，25个DN-A500HX2000L橡胶护舷。工程所在地高程系统采用当地理论最低潮位。极端高水位为2.38m，设计高水位为1.21m。设计低水位为-1.5m，极端低水位为-2.12m。根据勘察单位的地勘报告中勘察钻孔分析结果可知：自上至下依次为淤泥、淤泥-淤泥质软土、粉土、粉质粘土、中风化泥岩。
2水工结构设计方案
码头前墙采用组合钢板桩—钢管桩/AZ系统。系统主桩采用Φ1422钢管桩（δ=20mm），桩尖高程进入中风化泥岩层;系统辅桩均采用双拼AZ20-700（δ=10mm）钢板桩，桩尖高程为-15m，进入粉质粘土层不小于6m。现浇胸墙高4.6m，顶高程为3.5m，宽3.0m。胸墙上设置护轮坎、管沟、系船柱块体。胸墙分缝处设置二层非织造土工布（400g/m2）。板桩前墙在设计低水位以下设间距2m的排水孔，排水孔后设混合倒滤体。拉杆采用强度级别为GLG550的钢拉杆，直径Φ85mm，间距2500mm。锚碇结构采用现浇钢筋混凝土锚碇墙，墙高4.5m，墙厚800mm，锚碇墙前回填10～100kg块石、胸墙及锚碇墙后回填中粗砂（?≥32°、含泥量<5%，振冲密实，标贯击数N≥15）。码头面布置10.5m轨距门机轨道，钢轨型号为QU80，海侧轨距码头前沿线2.5m，坐落在现浇混凝土胸墙上。后轨道梁基础与2#端部临近段采用?700钢管桩，桩距5.0m，其余段陆上沉桩采用?600PHC桩，桩距4.0m，桩尖进入中风化泥岩层。
3组合钢管板桩的特点及受力分析
3.1钢管板桩的特点
组合钢板桩分为HZ/AZ组合钢板桩、钢管板桩、箱型组合桩3种形式。组合钢板桩由主桩和辅桩组成，主桩是主要受力构件，可以作为基础构件，承受主体的竖向荷载，主桩的抗弯能力强。辅桩一般较短，承受的弯矩一般较小，對抗弯性能的要求比较低。主桩、辅桩一般用锁口相连，通过锁口将辅桩上的荷载传递给主桩。钢管板桩的抗弯性能良好，竖向承载能力较强，可以承受水平和竖向荷载，锁口的数量少。钢管板桩在施工过程中需要大型钢管桩打桩设备，一般在水上施工。适用荷载较大的情况，如轨道下岸壁结构等。
目前，钢板桩码头的计算理论有两种方法：竖向弹性地基梁法和弹性线性法。在进行结构内力分析时，多采用有限元计算方法进行二维、三维的模拟分析。本文采用弹性线法进行码头踢脚、锚定稳定性。
3.2码头踢脚稳定验算方法
前墙的入土深度应满足下式要求：
式中：——结构重要性系数，取1.0;
——永久作用分项系数，持久组合，永久作用下土压力（1.35）、剩余水压力（1.05）;短暂组合，永久作用下土压力（1.35）、剩余水压力（1.05）;
——永久作用标准值产生的作用效应（KN*m）;
——可变作用分项系数，持久组合可变作用下土压力（1.35），短暂组合可变作用下土压力（1.25）;
——主导可变作用效应（KN*m）;
——作用组合系数，取0.7;
——非主导可变作用标准值产生的“踢脚”力矩（KN*m）;
MR—— 板桩墙前被动土压力的标准值对拉杆锚定点的稳定力矩（KN*m）;
——抗力分项系数，取1.25。
3.3受力分析计算结果
3.3.1踢脚稳定计算结果
通过表1、表2可知，在承载能力极限状态持久组合和地震组合下，均满足要求。
3.3.2锚碇稳定计算结果
通过表3可知，在不同组合情况下，锚定稳定的计算结果均满足要求。 3.3.3结构设计结果
由表4可知，φ85钢拉杆在承载能力极限状态下持久组合内力值小于拉杆承载能力值，承载能力极限状态下地震组合内力值小于栏杆承载能力设计值，拉杆的强度满足要求。由表5可知，在持久组合和地震组合两种情况下，承载能力极限状态的内力设计值均小于板桩强度的设计值。
4组合钢板桩防腐蚀设计措施
组合钢板桩要做好防腐蚀措施，主要的防腐蚀措施主要有以下几种。
4.1涂层的涂刷
涂层的涂刷范围包括组合钢板桩迎水面和临岸侧所有外表面。桩顶处涂层的涂刷应伸入胸墙底高程以50～100mm，水位变动区就至设计低水位以下1.5m，水下区应至泥面下1.5m;沉桩困难，预计桩端可能达不到设计高程时，涂刷范围应适当加大。
4.2涂层设计
钢板桩涂层在迎水面和背水面涂刷厚度不等的环氧重型防腐涂料，涂刷的道数和厚度见表6所示。组合钢板桩表面处理等级要求，应喷射除锈达GB8923.2-2008-T中Sa2.5级。
4.3牺牲阳极阴极保护
为满足20年设计保护年限要求，采用重型防腐涂层与牺牲阳极阴极保护法联合保护。牺牲阳极阴极保护系统应包括牺牲阳极、监控系统和通电连接部件。组合钢板桩按结构设计底标高设计阳极块。牺牲阳极为铝锌铟锡镁合金阳极，化学成分满足《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》（GB/T 4948-2002）的要求。阳极块型号为A□Ⅰ-5，阳极材料为2型，单个阳极块净重114kg，毛重120kg。
5结论
从组合钢板桩受力分析的结果可以看出，钢管桩-钢板桩具有较好的整体性，较好的抗弯抗变形能力，钢管板桩结构的锚定具有较强的稳定性。各性能指标验算均符合规范要求，结构在最不利的受力条件下安全可靠。因此，钢管板桩结构较钢板桩更复杂地质条件的适用性更强。钢管板桩在设计过程中要做好防腐蚀措施。在复杂地质条件下、能夠保证打桩精度和垂直度的前提下，类似的项目在设计中可优先考虑组合钢管板桩结构。
参考文献：
[1]刘洪超，李华.广州港新沙港区板桩码头结构设计方案比选分析[J].海岸工程，2020，39（1）：53-59.
[2]李志刚，王福强，王婷婷.Plaxis数值模拟在分离卸荷式钢管板桩码头计算中的应用[J].港工技术，2017（6）：43-48.
[3]方朝君.厦门港某钢板桩码头的设计与施工[J].港工技术，2011，48（06）：23-25.
[4]郭喜亮，魏志平.钢管桩AZ 型钢板桩组合墙的受力性能分析[J].水运工程，2018（S1）：105-109.
[5]李江文，组合钢板桩结构特点及应用分析[J].中国水运，2020，20（5）：197-199.
关键词：组合钢板桩;结构设计;钢管桩
中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）03-0075-03
钢板桩作为一种新型建材，具有安全可靠、节能环保、沉桩施工便利等特点。近年来，被广泛应用于港口码头建设中。随着码头建设向大型化、深水化发展，钢板桩的抗弯强度较低，自身刚度较差的特点逐渐显现出来。而钢管桩具有较强的强度，但是无法限制桩间的水土流失。结合钢板桩和钢管桩的优缺点，近年来出现了采用钢板桩和钢管桩组合形式作为板桩码头的结构形式。这种结构形式具备钢管桩和钢板桩的优点，又弥补了二者的不足。组合钢板桩是由钢管桩和不同的断面形式的板桩组合而成，主桩长度长而重量重，辅桩长度短而重量轻，主桩和辅桩交替设置。这种组合形式利用钢管桩刚度强的特点提高整体截面的刚度，使得组合墙的变形量减小，而且管桩和板桩通过一种特殊的锁扣相连，有很好的密闭性和传力性，能阻止水土流失和力的传递。本文以广州港一个组合钢板桩码头3#泊位为例，从组合钢管板桩的结构特点出发，对受力特点、施工难易等方面进行分析，并阐述了组合钢板桩的防腐蚀措施。
1工程概况
工程位于广州港某港区，码头水工建筑物包括1-2#泊位、挖入式港池3-10#泊位以及8#泊位端部与上游汽车滚装码头之间的衔接段主体结构。码头前沿作业地带顶高程3.5m。码头分两期建设。其中3#泊位，泊位长度179m。结构设计船型为5000DWT件杂货船。结构设计底高程为-9.7m。9个650KN系船柱，25个DN-A500HX2000L橡胶护舷。工程所在地高程系统采用当地理论最低潮位。极端高水位为2.38m，设计高水位为1.21m。设计低水位为-1.5m，极端低水位为-2.12m。根据勘察单位的地勘报告中勘察钻孔分析结果可知：自上至下依次为淤泥、淤泥-淤泥质软土、粉土、粉质粘土、中风化泥岩。
2水工结构设计方案
码头前墙采用组合钢板桩—钢管桩/AZ系统。系统主桩采用Φ1422钢管桩（δ=20mm），桩尖高程进入中风化泥岩层;系统辅桩均采用双拼AZ20-700（δ=10mm）钢板桩，桩尖高程为-15m，进入粉质粘土层不小于6m。现浇胸墙高4.6m，顶高程为3.5m，宽3.0m。胸墙上设置护轮坎、管沟、系船柱块体。胸墙分缝处设置二层非织造土工布（400g/m2）。板桩前墙在设计低水位以下设间距2m的排水孔，排水孔后设混合倒滤体。拉杆采用强度级别为GLG550的钢拉杆，直径Φ85mm，间距2500mm。锚碇结构采用现浇钢筋混凝土锚碇墙，墙高4.5m，墙厚800mm，锚碇墙前回填10～100kg块石、胸墙及锚碇墙后回填中粗砂（?≥32°、含泥量<5%，振冲密实，标贯击数N≥15）。码头面布置10.5m轨距门机轨道，钢轨型号为QU80，海侧轨距码头前沿线2.5m，坐落在现浇混凝土胸墙上。后轨道梁基础与2#端部临近段采用?700钢管桩，桩距5.0m，其余段陆上沉桩采用?600PHC桩，桩距4.0m，桩尖进入中风化泥岩层。
3组合钢管板桩的特点及受力分析
3.1钢管板桩的特点
组合钢板桩分为HZ/AZ组合钢板桩、钢管板桩、箱型组合桩3种形式。组合钢板桩由主桩和辅桩组成，主桩是主要受力构件，可以作为基础构件，承受主体的竖向荷载，主桩的抗弯能力强。辅桩一般较短，承受的弯矩一般较小，對抗弯性能的要求比较低。主桩、辅桩一般用锁口相连，通过锁口将辅桩上的荷载传递给主桩。钢管板桩的抗弯性能良好，竖向承载能力较强，可以承受水平和竖向荷载，锁口的数量少。钢管板桩在施工过程中需要大型钢管桩打桩设备，一般在水上施工。适用荷载较大的情况，如轨道下岸壁结构等。
目前，钢板桩码头的计算理论有两种方法：竖向弹性地基梁法和弹性线性法。在进行结构内力分析时，多采用有限元计算方法进行二维、三维的模拟分析。本文采用弹性线法进行码头踢脚、锚定稳定性。
3.2码头踢脚稳定验算方法
前墙的入土深度应满足下式要求：
式中：——结构重要性系数，取1.0;
——永久作用分项系数，持久组合，永久作用下土压力（1.35）、剩余水压力（1.05）;短暂组合，永久作用下土压力（1.35）、剩余水压力（1.05）;
——永久作用标准值产生的作用效应（KN*m）;
——可变作用分项系数，持久组合可变作用下土压力（1.35），短暂组合可变作用下土压力（1.25）;
——主导可变作用效应（KN*m）;
——作用组合系数，取0.7;
——非主导可变作用标准值产生的“踢脚”力矩（KN*m）;
MR—— 板桩墙前被动土压力的标准值对拉杆锚定点的稳定力矩（KN*m）;
——抗力分项系数，取1.25。
3.3受力分析计算结果
3.3.1踢脚稳定计算结果
通过表1、表2可知，在承载能力极限状态持久组合和地震组合下，均满足要求。
3.3.2锚碇稳定计算结果
通过表3可知，在不同组合情况下，锚定稳定的计算结果均满足要求。 3.3.3结构设计结果
由表4可知，φ85钢拉杆在承载能力极限状态下持久组合内力值小于拉杆承载能力值，承载能力极限状态下地震组合内力值小于栏杆承载能力设计值，拉杆的强度满足要求。由表5可知，在持久组合和地震组合两种情况下，承载能力极限状态的内力设计值均小于板桩强度的设计值。
4组合钢板桩防腐蚀设计措施
组合钢板桩要做好防腐蚀措施，主要的防腐蚀措施主要有以下几种。
4.1涂层的涂刷
涂层的涂刷范围包括组合钢板桩迎水面和临岸侧所有外表面。桩顶处涂层的涂刷应伸入胸墙底高程以50～100mm，水位变动区就至设计低水位以下1.5m，水下区应至泥面下1.5m;沉桩困难，预计桩端可能达不到设计高程时，涂刷范围应适当加大。
4.2涂层设计
钢板桩涂层在迎水面和背水面涂刷厚度不等的环氧重型防腐涂料，涂刷的道数和厚度见表6所示。组合钢板桩表面处理等级要求，应喷射除锈达GB8923.2-2008-T中Sa2.5级。
4.3牺牲阳极阴极保护
为满足20年设计保护年限要求，采用重型防腐涂层与牺牲阳极阴极保护法联合保护。牺牲阳极阴极保护系统应包括牺牲阳极、监控系统和通电连接部件。组合钢板桩按结构设计底标高设计阳极块。牺牲阳极为铝锌铟锡镁合金阳极，化学成分满足《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》（GB/T 4948-2002）的要求。阳极块型号为A□Ⅰ-5，阳极材料为2型，单个阳极块净重114kg，毛重120kg。
5结论
从组合钢板桩受力分析的结果可以看出，钢管桩-钢板桩具有较好的整体性，较好的抗弯抗变形能力，钢管板桩结构的锚定具有较强的稳定性。各性能指标验算均符合规范要求，结构在最不利的受力条件下安全可靠。因此，钢管板桩结构较钢板桩更复杂地质条件的适用性更强。钢管板桩在设计过程中要做好防腐蚀措施。在复杂地质条件下、能夠保证打桩精度和垂直度的前提下，类似的项目在设计中可优先考虑组合钢管板桩结构。
参考文献：
[1]刘洪超，李华.广州港新沙港区板桩码头结构设计方案比选分析[J].海岸工程，2020，39（1）：53-59.
[2]李志刚，王福强，王婷婷.Plaxis数值模拟在分离卸荷式钢管板桩码头计算中的应用[J].港工技术，2017（6）：43-48.
[3]方朝君.厦门港某钢板桩码头的设计与施工[J].港工技术，2011，48（06）：23-25.
[4]郭喜亮，魏志平.钢管桩AZ 型钢板桩组合墙的受力性能分析[J].水运工程，2018（S1）：105-109.
[5]李江文，组合钢板桩结构特点及应用分析[J].中国水运，2020，20（5）：197-199.