有限元理論在RCD工法施工平臺中的應用

譚凱，焦守增

（中交三航局江蘇分公司，江蘇 連云港 222002）

有限元理論在RCD工法施工平臺中的應用

譚凱，焦守增

（中交三航局江蘇分公司，江蘇 連云港 222002）

橋梁樁基礎的施工是海上橋梁建設的主要難點之一，解決這一難題的關鍵是海上施工平臺的設計與施工。本文以海上RCD工法施工平臺為研究對象，采用AUTODESK ROBOT有限元分析軟件，模擬RCD工法施工荷載條件下，施工平臺各結構的強度、剛度及其穩定性的變化。理論計算分析結合現場施工實踐，證實該施工平臺的結構組合形式及其計算方法可以為今后的工程實踐提供參考。

RCD工法；有限元分析；施工平臺；搖樁機

1 工程綜述

新城填海區A區至澳門半島之間的連接通道-連接橋建造工程，位于澳門友誼圓形地，新城填海區A區北部及其之間的海域。本工程包含3座海上高架橋，高架橋1總跨徑173.98m，高架橋2總跨徑146.1m，高架橋3總跨徑306.44m。除了用作通行航道之主跨度為50米之外，跨度一般在25米及35米之間。三座橋包含水中樁基78根，直徑為1.2m和1.6m兩種。本工程所有海上灌注樁均采用RCD工法施工，需搭設海上施工平臺作為樁機海上作業平臺。

圖1 RCD鉆機施工圖

2 RCD工法簡介

針對大直徑樁孔入巖困難的問題，本工程采用國際成熟的大直徑嵌巖樁RCD工法。RCD工法與傳統的錘擊式樁基施工方法相比，具有低噪音、低震動、低污染的特性。本工程在施工海上灌注樁時需要安裝臨時鋼套筒，并使用重型液壓搖管機（OSCILLATOR）將鋼套筒旋磨至巖層，在鋼套筒旋磨過程中，用吊機配合蜆式抓斗抓取鋼套筒內的淤泥。達到巖層以后使用RCD（反循環）鉆機進行嵌巖開挖，RCD鉆機安裝于鋼套筒頂部，通過重型鉆桿驅動底端大直徑鉆頭鉆進。鉆出的石屑通過氣舉反循環系統泵送至地面水箱沉淀。

RCD工法采用的搖管機最大拔管力2700kN（豎直方向），最大輸出扭矩4520kN.m，工作時需與BM900履帶吊配合施工。為滿足施工時的荷載要求，海上灌注樁施工平臺的設計承載力為400噸。

圖2 搖管機工作原理圖

圖3 RCD鉆頭

3 施工平臺結構圖

RCD工法施工平臺的結構形式自下而上依次為：Φ630mm鋼管樁（敞口樁不帶加強箍），每排4根，中心間距為3.1m+1.4m+3.1m；縱梁采用雙拼700mm工字鋼，橫梁采用250mm雙拼工字鋼；面板采用10mm鋼板滿鋪；平臺兩邊以50mm鋼管做護欄，立桿間距2.2m，高0.9m。海上灌注樁施工平臺示意圖如圖4。

圖4 海上灌注樁施工平臺橫斷面圖

4 施工平臺結構驗算

4.1 計算條件

（1）永久荷載：結構自重，鋼材自重：77.01kN/m3。

（2）可變荷載：考慮施工材料（鋼板樁，型鋼等）的堆放：20kPa；施工機械荷載為搖樁機，最大拔管力2700kN（豎直方向），最大輸出扭矩4520kN.m。

（3）水位情況：施工期高水位：1.20m.

（4）主要結構材料：上部面層結構由25A工字鋼及10mm厚鋼面板組成，25A工字鋼材質為Q345B,鋼板為Q235；“H”型鋼：HN700×300，材質為Q345B；鋼管樁：直徑630mm，樁長33m，壁厚10mm，材質為Q345B。

4.2 計算工況及荷載組合

本工程施工平臺各計算項目的工況及組合方法如下：

4.2.1 施工平臺上部結構強度計算

（1）結構自重×1.2+施工均載×1.4

（2）結構自重×1.2+搖樁機工作荷載（垂直向）×1.4

（3）結構自重×1.2+搖樁機工作荷載（水平向）×1.4

4.2.2 施工平臺樁基承載力計算

（1）結構自重×1.0+施工均載×1.0

（2）結構自重×1.0+搖樁機工作荷載（垂直向）×1.0

（3）結構自重×1.0+搖樁機工作荷載（水平向）×1.0

4.2.3 施工平臺上部結構變形驗算

（1）結構自重×1.0+施工均載×1.0

（2）結構自重×1.0+搖樁機工作荷載（垂直向）×1.0

（3）結構自重×1.0+搖樁機工作荷載（水平向）×1.0

4.3 各荷載組合計算結果

4.3.1施工平臺上部結構計算結果

4.3.2施工平臺樁基計算結果

表1 施工平臺上部結構計算結果組合表

表2 樁基計算結果組合表

4.4 建模驗算

施工平臺的計算采用AUTODESK ROBOT有限元分析軟件計算完成，計算該施工平臺的樁基及上部構件受力，樁基的模擬采用假想嵌固點，深度按泥面以下5m計，結構布置及模型計算結果如圖5。

圖5 海上灌注樁施工平臺模型驗算結果圖

該施工平臺的驗算結果匯總見表3、表4。

表3 施工平臺上部結構計算結果匯總

表4 排架樁基內力計算結果匯總

5 應用效果

本工程海上灌注樁采用RCD工法施工，一般7天可成樁，在施工平臺使用過程中需定期進行沉降觀測。施工平臺頂標高+3.30m，本文選取施工平臺四個點進行了定期觀測，觀測頻率為1次/天，觀測結果統計表如表5。觀測數據均小于理論計算的最大變形，且在施工平臺的使用過程中未發現結構損壞、焊縫開裂等現象。

表5 施工平臺觀測統計表

圖6 海上RCD工法施工平臺圖

6 結語

通過有限元分析軟件的模擬結合現場應用的實踐效果，證實該海上RCD工法施工平臺的設計滿足現場施工條件。施工平臺經驗收合格交付使用后，需定期對平臺進行沉降觀測。派人對施工平臺進行巡視，及時發現排除可能存在的危險源。該施工平臺的結構組合形式及其計算方法，可以為今后的工程實踐提供參考。

[1]BS 6349:Code of Practice for Maritime Structures General Criteria；

[2]BS 8004：Code of Practice for Foundations；

[3]《水運工程鋼結構設計規范》(JTS152-2012)。

[4]《港口與航道水文規范》（JTS 145-2015）；

[5]BS5950-1-2000:Code of practice for design-Rolled and welded sections；

U655.5

A

1006—7973（2017）10-0066-03

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.029