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1、大 能 量 柴 油 打 桩 锤 替 打 结 构 的 优 化 与 应 用谢 汉 林 1 , 夏 润 京 2 , 黄 增 财 1( 11 路 桥 华 南 工 程 有 限 公 司 中 山 市 5 28403; 21 路 桥 集 团 国 际 建 设 股 份 有 限 公 司 北 京 市 100027)摘 要 : 对柴油打桩锤锤击能量损失的原因 和 由 于 替 打 结 构 不 合 理 所 造 成 的 能 量 损 失 进 行 了 分 析 研 究, 根 据研 究 结 果 对 替 打 结 构 做 了 优 化 设 计, 有 效 地 解 决 了 能 量 损 失 过 大 的 难 题 , 提 高 了 替 打 的 耐 久
2、 性 和 柴 油 打 桩 锤 的 工 作效率 。关键词 : 柴油打桩锤 ; 替打 ; 能量损失 ; 结构优化 ; 应用效果海上钢管桩采用配备大型柴油锤的打桩船进行锤击沉入 , 替打作为锤击沉桩的能量传递设备, 兼有 保 护 桩 头 的 作 用 , 同 时 也 是 锤 击 沉 桩 过 程 中 造 成 能 量 损 失 最 大 的 设 备 之 一 , 并 因 其 作 为 抗 击 打 构 件 而 容易损坏 。 在杭州湾跨海大桥 合同钢管桩沉桩过 程中经历了打桩替打的 优 化 与 应 用 过 程 , 优 化 后 的 替 打 与 大 型 柴 油 打 桩 锤 配 合 良 好 , 大 大 减 少 了 能 量
3、的 损 失 , 提 高 了 替 打 的 耐 久 性 , 取 得 了 良 好 的 沉 桩 效 果 。杭 州 湾 跨 海 大 桥 的 南 、 北 航 道 桥 高 墩 区 引 桥 基 础 采 用 钢 管 桩 结 构 , 共 有 732 根 桩 , 钢 管 桩 直 径 为1160 m , 桩长 72 85 m , 上部 45 m 壁厚为 212 cm , 下 部 壁厚为 210 cm 。 各桩均为斜桩 , 斜率有 6 种 : 61 、71 、 81 、 101 、 151 及 201 。桥 区 土 层 的 中 下 层 位 主 要 为 砂 层 和 亚 粘 土 层,砂层厚 度 最 大 达 26 m , 土
4、 体 标 贯 击 数 N 值 较 大 , 其1 问题提出2004 年 5 月 24 日, 我公司杭州湾大桥项目使用 德 国 生 产 的 打 桩 锤 配 备 吊 钟 式 替 打 开 始 打 入 桩 作业 。111 打桩锤性能42 柴 油 锤 是 2002 年 底 从 德D ELM A G D 150-国 购 置 的, 是 当 时 世 界 上 打 击 能 量 最 大 的 柴 油 打 桩锤, 该锤主要性能参数为 : 上活塞重量 150 kN ; 最大冲量 314 m ;最大冲击能量 51115 kN m ; 冲击次数 36 52 次 m in; 最大打斜桩的斜度 13 ;锤体重量 330 kN 。1
5、12 吊钟式替打 吊钟式替打实物见图 1 所示 。中砂层 、 砂层与亚粘土互层的标贯击数 N 大于 50。图 1 吊钟式替打收稿日期 : 2006- 01- 232006 年 第 3 期 谢汉林等 : 大能量柴油打桩锤替打结构的优化与应用 115 11211 工作原理此 类 型 替 打 内 部 为 空 心 结 构, 锤 击 能 量 通 过 替 打 的 四 周 钢 结 构 传 递 至 底 部 钢 板 上, 再 由 底 部 钢 板结构传递到钢管桩的顶部, 以实现沉 桩 。11212 材料一 般 选 用 Q 235 或 45 号 锻 钢 , 厚 度 为 3050 mm 的 厚 钢 板 加 工 , 上
6、 部 承 击 钢 板 ( 盖 板 ) 厚 度 约 为 80 110 mm 。11213 加工方法此 类 型 替 打 焊 接 而 成, 所 用 焊 条 均 为 结 构 钢 J 506 焊 条 , 所 有 连 续 焊 接 缝 厚 度 均 大 于 30 mm 以 上, 即连续堆焊接, 以确保焊接部件的强度 。 焊接完成后, 进行整体热处理, 以消除焊接过程产生的焊接 应 力 , 避 免 使 用 过 程 中 因 焊 缝 残 余 应 力 而 导 致 结 构内力作用 , 降低发生脆性开裂的出现机 率 。113 施工效果最 初 施 工 的 4 根 打 入 桩 分 别 高 出 设 计 标 高611 m 、 5
7、16 m 、 113 m 、 413 m , 并 且 锤 击 次 数 都 远 远 超 出 正 常 值 , 分 别 为 8 217 锤 、 6 020 锤 、 5 914 锤 、4 136锤, 打 桩 时 间 分 别 为 3 h 12 m in、 2 h 38 m in、2 h 33 m in 和 1 h 44 m in。 这样的生产效率根本无法 满 足 工 程 进 度 的 要 求, 而 且 柴 油 打 桩 锤 超 负 荷 长 时间 工 作 , 将 大 大 降 低 设 备 的 使 用 寿 命 。 针 对 这 种 情 况, 我们对替打进行了改进, 将起缓冲作用所垫的钢丝 绳, 由 原 来 的 3
8、层 改 为 1 层, 以 减 少 锤 击 能 量 的 损失, 取得了一定的效果 。 锤击 3 000 4 600 次左右便 能沉桩到位, 但锤击数仍然偏高 , 且替打损坏十分严 重, 经常要对替打进行大规模的焊修 , 严重影响施工 的连续性 , 生产效率十分低下 , 项目施工陷入了十分被动的局面 。此 后 , 业 主 安 排 其 他 单 位 的 打 桩 船 在 我 项 目 上 述 施 工 区 域 试 打 10 根 桩 。 其 打 桩 船 安 装 的 是 荷 兰 IH C 公 司 生 产 的 S280 液 压 打 桩 锤 , 最 大 打 击 能 量280 kN m 。 从打击能量上看小于我公司
9、D 150 柴油 打桩锤 , 但实际沉桩效果远好 于 D 150 柴油打桩锤的沉桩效果 , 10 根桩的平均锤击数在 2 200 锤左右 。最大打击能量为 51115 kN m 的D 150 柴 油 打 桩 锤的 工 作 能 力 不 如 最 大 打 击 能 量 为 280 kN m 液 压 打桩锤呢 ? 经过研究我们发现 , 二者的主要差别在于打击过程的能量损失上 。 据有关资料显示, 柴油打桩 锤 的 能 量 损 失 一 般 在 60% 70% , 而 液 压 打 桩 锤 的 能 量损失在 20% 30% 之间 。 如果按此计算, 二者作 用在桩顶的打击力是相差无几的 。 由此证明, 我们的
10、D 150 柴 油 打 桩 锤 的 能 量 损 失 已 经 超 出 了 60%70% 的范 围 。 据有关资料还可以知道, 柴油打桩锤的 能量损失主要来自以下几个方面 :(1) 柴油爆炸过程的能量损失约为 30% ;(2) 摩擦 (撞 击 、 活 塞 环 磨 损 、 劣 质 柴 油 ) 损 失 约 为 10% ;( 3) 大 气 污 染 损 失 ( 空 气 湿 度 、 温 度 和 粉 尘 的 影 响 ) 约为 5% 10% ;(4) 替打及缓冲垫的损失约为 15% 。前 3 项 来 自 于 柴 油 打 桩 锤 工 作 原 理 或 环 境 因 素所 带 来 的 固 有 损 失 , 是 很 难 轻
11、 易 人 为 改 变 的 。 只有最后一项替打及缓冲垫的损失是可以根据替打的 结构形式和缓冲垫的材料而变化的 。 因此我们对如 图 2 所示的替打的结 构 形 式 进 行 了 认 真 的 分 析 。 从 现 场 反 映 的 情 况 看, 在 沉 桩 施 工 中 经 常 出 现 替 打 开 裂, 我 们 认 为 出 现 这 种 情 况 , 可 能 有 两 方 面 的 原 因 :一是替打结构不合理 , 吸收的能量过多 ; 二是替打材 质 和 加 工 质 量 存 在 缺 陷 。 通 过 对 替 打 加 工 过 程 和 材质 的 分 析, 我 们 排 除 了 由 此 造 成 的 替 打 损 坏 的 原
12、因 。从 图 2 的 结 构 形 式 分 析, 我 们 认 为 造 成 能 量 损 失的原因主要有以下几个方面 :(1) 替打上下盖板直径不同, 中间传递能量的部 分为圆锥形, 由此产生了一个横向分力, 降低了柴油 打桩锤的打击能量的传递效率 ;( 2) 替 打 长 度 将 近 2 m , 用 钢 板 焊 接 而 成, 替 打 的刚性差 , 弹性大 , 由于材料的弹性变形吸收了大量的能量 ;( 3) 替打上盖板厚度不够 , 仅为 110 mm , 打击时 出现弹性变形吸收能量 ;( 4) 替 打 下 端 插 入 钢 管 桩 内 的 定 位 部 分 长 度 太 短, 难 以 保 持 柴 油 打
13、桩 锤 、 替 打 和 桩 的 同 心 度, 容 易出 现 偏 打 现 象 , 产 生 横 向 分 力, 增 加 了 侧 向 摩 擦 阻 力, 降低了有效的打击动能 ;(5) 因柴油打桩锤的打击效率与桩重 (包括替打重量) 成反比 , 而原替打整体重量过大 (约 20 t) , 增2 原替打结构分析针 对 杭 州 湾 大 桥 项 目 出 现 打 桩 困 难 的 情 况, 对 D ELM A G D 150 柴 油 打 桩 锤 的 能 力 以 及 杭 州 湾 打 桩 工 况 及 过 程 进 行 了 计 算 和 分 析 , 以 寻 找 打 桩 能 力 不足的原因 。 并对柴油打桩锤和液压打桩锤的工
14、作原理 、 能量损失等技术问题进行了深入研究 。 为什么 116 公 路 2006 年 第 3 期单 位 : mm图 2 吊钟式替打结构加了柴油打桩锤的工作负荷, 因此降低了打桩效率 ;(6) 缓冲垫的材料和厚度不够合 理 , 吸收能量过 多, 一般打钢管桩多采用铝合金板 , 钢丝绳缓冲垫多 用于混凝土桩 。通 过 以 上 分 析 可 以 看 出 , 该 替 打 存 在 较 大 的 结 构 缺 陷 , 致 使 柴 油 打 桩 锤 的 打 击 能 量 不 能 有 效 地 传递 给 钢 管 桩, 造 成 柴 油 打 桩 锤 产 生 的 打 击 能 量 使 用 率降低 。陷, 与 大 型 柴 油 锤
15、 的 匹 配 性 极 差, 为 此 , 我 们 探 索 研究新替打 , 以满足海上沉桩的需要 。311 提高替打冲击力的理论依据(1) 按能量转换关系有 :M V = F t式 中 : F 为 作 用 于 替 打 的 冲 击 力 ; t 为 作 用 替 打 的时间 。 由于动量 M V 是常量 , 因此冲量 F t也是常 量, 当 F 的作用时间 t 减小时 , F 就增大 , 从而提高 了柴油打桩锤对替打的冲击力 。( 2) 按 在 系 统 物 体 的 碰 撞 中 和 牛 顿 第 三 定 律 来 研究系统内物体动量有 :3 替打的优化经 过 分 析 可 知 吊 钟 式 替 打 结 构 存 在
16、 较 大 的 缺2006 年 第 3 期 谢汉林等 : 大能量柴油打桩锤替打结构的优化与应用 117 t 到桩顶 , 症结就在原替打存在较大的结构缺陷 。此 后 , 我 们 再 次 对 原 替 打 和 改 进 后 的 替 打 缺 陷 进 行 了 全 面 的 分 析, 在 充 分 考 虑 了 原 有 替 打 存 在 的消能因素 , 以及改进替打的材质和加工缺陷 , 全面优 化并确定了新替打的 结 构 形 式 如 图 3 所 示 。 新 替 打 主要由外定位套 、 内冲击块 、 缓冲垫板和打击垫铁四 部分组成 。 替打实物见图 4 所示 。313 替打的材质及加工要点(1) 材料 。套 体 采 用 厚 锻 钢 板 和 Q 235A 制 作 , 内 冲 击 块 、 打击垫铁采用 20 号锻钢 , 采用缓冲垫板 。(2) 加工要点 。外 定 位 套 采 用 焊 接 加 工
