整體裝配式灌注樁施工平臺的設(shè)計與應(yīng)用

張連江，徐波，孫建波

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

港珠澳大橋橋梁工程深水區(qū)CB03合同段中非通航孔橋共計68個橋墩，其中，等寬段共55個墩臺，每個墩臺基礎(chǔ)采用6根直徑為2.0 m的鋼管樁和直徑為1.75m的灌注樁組成的鋼管復(fù)合樁；變寬段共13個墩臺，每個墩臺基礎(chǔ)采用6根直徑為2.2 m的鋼管樁和直徑為1.95 m的灌注樁組成的鋼管復(fù)合樁[1]。

本工程工程量大，質(zhì)量要求高，工期緊，施工地點處于外海，遠離陸地。以往工程中采用的臨時引橋以及海上拆裝式平臺工藝都滿足不了本工程的要求。采用可整體吊裝周轉(zhuǎn)使用的灌注樁施工平臺，不僅減少了海上施工工序，提高了施工效率，還減少了輔助材料的投入，節(jié)約了成本，其工藝關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)設(shè)計、平面布局和安裝方法。

2 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體平面布局

為了使平臺滿足灌注樁施工生產(chǎn)以及人員的生活住宿等條件要求，合理利用有限的空間，將平臺上的設(shè)施按“回”字形布置（如圖1所示）。平臺中部為灌注樁的主要施工區(qū)域，平臺外圍為生產(chǎn)輔助區(qū)及生活區(qū)，其中，生產(chǎn)輔助區(qū)左側(cè)布置有倉庫、淡水箱、油罐等；上側(cè)為動力供應(yīng)區(qū)，布置有發(fā)電機和空壓機；右側(cè)為過濾設(shè)施安放區(qū)，布置有泥漿桶和泥漿凈化器等。平臺下側(cè)為生活區(qū)，布置有辦公室、廚房、宿舍、廁所等。

圖1 平臺設(shè)施總體平面圖Fig.1 Overallplan of the platform facilities

油罐與發(fā)電機、明火區(qū)域保持必要的安全距離；淡水箱與造漿材料倉庫并排擺放，方便工程造漿；人員上下平臺的梯子布置在生活區(qū)附近，避免人員上下穿過施工區(qū)域。

2.2 平臺主要構(gòu)造

根據(jù)施工期各種荷載的最不利組合情況進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時滿足直徑2.0m樁和2.2m樁以及不同樁間距的使用要求。

整體裝配式主體結(jié)構(gòu)由空間桁架組成，平臺平面尺寸為32 m×19.2 m，高4.4 m。桁架底層采用35 cm×24 cm箱型截面主梁和雙拼 [28a槽鋼主梁，與樁基鋼抱箍相接觸區(qū)域因剪力最大，采用35 cm×30 cm箱型截面主梁，桁架頂層采用雙拼 [25a槽鋼主梁，豎桿采用雙拼 [20a槽鋼，斜桿采用雙拼 [16槽鋼焊接而成，如圖2所示[2]。

圖2 平臺桁架結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The platform girder structure

2.3 鋼抱箍結(jié)構(gòu)

通過在6根鋼管樁上安裝鋼抱箍形成平臺的豎向支撐體系，平臺安裝到位后，采用千斤頂對稱頂緊鋼管樁樁身，以防在鉆孔過程中平臺晃動。

鋼抱箍由兩塊鋼板彎成略小于樁徑的半圓箍拼裝而成，連接處預(yù)留4～5 cm間隙，采用兩排高強度螺栓連接。與連接處呈90°方向?qū)ΨQ布置2個箱型牛腿，作為整體式平臺的承力結(jié)構(gòu)。

鋼抱箍有兩種尺寸規(guī)格，分別適應(yīng)2.0 m樁和2.2m樁。

2.4 輔助設(shè)施

平臺的輔助設(shè)施主要包括靠船樁及人員上下通道。

為避免施工船舶直接靠泊平臺對平臺結(jié)構(gòu)及灌注樁成孔質(zhì)量造成影響，在平臺的東西兩側(cè)各布置7根φ630mm直徑的鋼管樁作為靠船樁，樁長36m，頂標(biāo)高+6.0m。樁壁靠船的一側(cè)布置橡膠護舷，護舷中心標(biāo)高+2.0 m?？看瑯恫捎秒妱诱駝渝N振沉，待整體式平臺拆除后，再使用電動振動錘整體拔出，周轉(zhuǎn)使用。

人員上下通道布置在平臺東西兩側(cè)靠近生活區(qū)的一端，位于兩根靠船樁中間，便于交通船靠泊后人員上下。

3 整體裝配式施工平臺強度校核

3.1 使用工況及荷載組合說明

施工平臺計算時分以下兩種工況。

1）工況A：整體起吊安裝

在平潮時，浮吊通過專用吊具連接平臺頂部的4個吊耳，將施工平臺整體吊起（圖3），并移至已打設(shè)完畢的鋼管樁正上方，浮吊緩慢落鉤，使平臺的6個預(yù)留孔套入鋼管樁，直至施工平臺落至鋼抱箍上。平臺與鋼抱箍之間焊接連接鋼板，以增強平臺的穩(wěn)定性及抗臺風(fēng)能力。

2）工況B：施工平臺滿負載作業(yè)

圖3 平臺吊裝示意圖Fig.3 The platform hoisting schematic draw ing

平臺安裝到位后，按照平面布置圖布置全部生產(chǎn)、生活設(shè)施，設(shè)施容器內(nèi)按滿載考慮，并同時布置2臺套灌注樁施工鉆機和配套設(shè)備，此時，為施工平臺的滿負載使用工況。

工況A和工況B條件下的荷載值及分布情況詳見表1。

3.2 平臺結(jié)構(gòu)強度校核

3.2.1 許用應(yīng)力設(shè)置

平臺主桁架采用Q235型鋼焊接，δ=235MPa，取安全系數(shù)n=1.5， [δ]=δ/n，則平臺桁架結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力 [δ]=156MPa。

擱置箱梁材料為Q345，δ=345 MPa，取安全系數(shù)：n=1.5， [δ]=δ/n，則擱置箱梁結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力[δ]=230MPa。

依據(jù)以上參數(shù)，按照平臺的設(shè)計尺寸采用ANSYS軟件[3]三維梁單元建模，進行兩種工況條件下的強度分析和校核。

3.2.2 工況A條件下的計算結(jié)果

整體應(yīng)力：上層最大應(yīng)力發(fā)生在鉆機擺放處，最大應(yīng)力為132 MPa。中層最大應(yīng)力發(fā)生在吊耳設(shè)置處，最大應(yīng)力為155 MPa。底層最大應(yīng)力發(fā)生在吊耳設(shè)置處，最大應(yīng)力為133 MPa。

表1 施工平臺荷載列表Table1 The loading listof construction platform

吊裝時最大變形發(fā)生在泥漿罐擺放處，最大變形量DMX=22mm。

由計算結(jié)果可見在工況A荷載條件下，平臺結(jié)構(gòu)安全，整體剛度良好。

吊點受力為：吊點A＝吊點C＝190 t，吊點B＝吊點 D＝133 t，合計 646 t。

因平臺左右兩側(cè)受力值不同，吊裝索具需單根布置，單根索具按照190 t荷載配置，確保平臺吊裝平穩(wěn)、安全。

3.2.3 工況B條件下的計算結(jié)果

整體應(yīng)力：上層最大應(yīng)力發(fā)生在鉆機擺放處，為91 MPa。中層最大應(yīng)力發(fā)生在鉆機擺放處的下部支撐斜桿，折減后最大應(yīng)力為155 MPa。底層最大應(yīng)力發(fā)生在擱置梁處，由于梁單元邊界條件設(shè)置限制導(dǎo)致有局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為224 MPa。

整體相對變形為SMX-SMN=3.295mm。

由計算結(jié)果可見在工況B荷載條件下，平臺結(jié)構(gòu)安全，整體剛度良好。

3.3 抗臺風(fēng)能力復(fù)核

臺風(fēng)期，通過將平臺與鋼管樁焊接、平臺頂部附屬設(shè)施與平臺骨架牢固焊接等加固方式，使平臺及附屬設(shè)施與樁基礎(chǔ)形成整體，以此檢核平臺在臺風(fēng)期的穩(wěn)定性。

3.3.1 參數(shù)設(shè)置

施工平臺縱方向迎風(fēng)面積A1=40 m2，橫方向迎風(fēng)面積A2=70 m2，按照14～15級強臺風(fēng)驗算，風(fēng)速取V=51 m/s。

按CCS《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》2007版計算風(fēng)載荷，由風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)壓q計算得：q=0.613V2=1 594 Pa。

3.3.2 橫向平臺風(fēng)載計算

平臺上部建筑物風(fēng)載：Fh1=CqA=1.1×1 594×70=122.8 kN

平臺桁架風(fēng)載：Fh2=CqA=1.95×1 594×41.5×[（1-0.96）/（1-0.9）]=60.5 kN 3.3.3 縱向平臺風(fēng)載計算

平臺上部建筑物風(fēng)載：Fz1=1.1×1 594×40=70.2 kN

平臺桁架風(fēng)載：Fz2=1.95×1 594×19.8×[（1-0.98）/（1-0.9）]=35.1 kN

通過計算平臺整體應(yīng)力可以得出，當(dāng)14～15級臺風(fēng)來襲時，施工平臺桁架主體結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

4 結(jié)語

整體裝配式灌注樁施工平臺的成功應(yīng)用，使施工平臺周轉(zhuǎn)更加便捷，大大縮短了海上作業(yè)時間，減少了船機設(shè)備的占用。在本工程68個獨立墩臺的平臺周轉(zhuǎn)施工期間，經(jīng)歷了數(shù)次臺風(fēng)的考驗，驗證了整體裝配式平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性，可為外海橋梁工程樁基施工平臺提供借鑒。

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司聯(lián)合體.港珠澳大橋主體工程橋梁DB01標(biāo)段施工圖設(shè)計[R].2012.The Consortium of CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing design for DB01 section of themain bridge of theHongkong-Zhuhai-Macao Bridgeproject[R].2012.

[2]中交一航局二公局聯(lián)合體.港珠澳大橋主體工程橋梁工程CB03標(biāo)段施工組織設(shè)計[R].2012.The Consortium of No.2 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.Construction organization design for CB03 section of themain bridge of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project[R].2012.

[3] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.WANG Xin-min.Numerical analysis on engineering structure by ANSYS[M].Beijing：ChinaCommunications Press,2007.