山區(qū)庫(kù)區(qū)深水裸巖充砂嵌巖鋼管樁工作平臺(tái)設(shè)計(jì)分析及應(yīng)用

摘? 要：山區(qū)庫(kù)區(qū)深水裸巖工作平臺(tái)鋼管樁底部加焊導(dǎo)向槽鋼固定架嵌入基巖中以混凝土固結(jié)，鋼管樁內(nèi)填充密實(shí)砂礫的摩阻力增大了鋼管樁的剛度，提高了鋼管樁的壓彎穩(wěn)定性。通過浙江省麗水市景寧縣金鐘大橋工程120m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)、水深40m左右山區(qū)庫(kù)區(qū)深水裸巖充砂嵌巖鋼管樁工作平臺(tái)的應(yīng)用，確保了施工平臺(tái)的穩(wěn)定性和承載能力，取得了明顯的效果。

關(guān)鍵詞：山區(qū)庫(kù)區(qū)? 深水裸巖? 充砂嵌巖鋼管樁? 剛度? 工作平臺(tái)? 設(shè)計(jì)計(jì)算

中圖分類號(hào)：U445.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）08（a）-0049-02

山區(qū)庫(kù)區(qū)具有典型的山區(qū)河流特點(diǎn)，水位暴漲暴落，洪水期水量劇增，洪峰后水位急降，對(duì)基礎(chǔ)沖刷作用強(qiáng)烈。同時(shí)，由于受交通條件的限制，對(duì)于深水達(dá)40m及以上、裸巖地基，缺乏大型起吊設(shè)備和駁船的庫(kù)區(qū)大型橋樁基的施工難度較大。裸巖大直徑橋梁樁基施工，若采用普通的鋼管樁固定支撐平臺(tái)方案，存在臨時(shí)施工平臺(tái)鋼管樁插打難度大，柔度大等諸多不利因素。如在鋼管樁中灌入混凝土，則可較大程度地提高鋼管樁的承載能力和穩(wěn)定性，但工程費(fèi)用將大幅增加，且鋼管樁不能回收再次使用。

浙江省麗水市景寧縣金鐘大橋工程樁基施工中，搭設(shè)水上鉆孔樁固定平臺(tái)的方式進(jìn)行鉆孔樁施工。在庫(kù)區(qū)深水裸巖施工平臺(tái)搭設(shè)中，采用庫(kù)區(qū)深水裸巖充砂嵌巖鋼管樁工作平臺(tái)施工技術(shù)，確保了施工平臺(tái)的穩(wěn)定性和承載能力，取得了明顯的效果。

1? 充砂嵌巖鋼管樁工作平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，山區(qū)庫(kù)區(qū)深水裸巖工作平臺(tái)鋼管樁底部加焊導(dǎo)向槽鋼固定架嵌入基巖中以混凝土固結(jié)，鋼管樁內(nèi)填充密實(shí)砂礫的摩阻力增大了鋼管樁的剛度，提高了鋼管樁的壓彎穩(wěn)定性，鋼管樁縱向、橫向間設(shè)置槽鋼剪刀撐，其上依次安裝雙拼槽鋼橫向分配梁、貝雷梁（縱梁）和橫向雙拼工字鋼橫梁組成工作平臺(tái)。工作平臺(tái)承載橋墩鉆孔灌注樁施工荷載。

1.2 midas civil有限元軟件計(jì)算模型

1.2.1 荷載分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知，施工平臺(tái)主要考慮鉆機(jī)荷載，設(shè)計(jì)荷載。

（1）結(jié)構(gòu)自重。

（2）18t鉆機(jī)荷載：10t自重+8t錘重。

（3）風(fēng)荷載。

0.33kN/m2

式中，wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;βz為高度Z處的風(fēng)振系數(shù)，取0.7;μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取1.3;μz為風(fēng)壓高低變化系數(shù)，高度按6.5m，地面粗糙度類別為B類計(jì)，取1;w0為基本風(fēng)壓，根據(jù)風(fēng)速24m/s 計(jì)算得0.36kN/m2。

（4）流水壓力。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）4.3.9條得每根鋼管樁：

0.19kN

式中，F(xiàn)w為流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;k為橋墩形狀系數(shù)，取0.8;A為橋墩阻水面積，沖刷深度按3m計(jì)，取1.89m2;γ為水的重度，取10kN/m2;v為水流速度，取0.5m/s;g為重力加速度，為9.81m/s2。

（5）荷載系數(shù)。

結(jié)構(gòu)自重：1.2;鉆機(jī)荷載：1.4;可變荷載：風(fēng)荷載：1.1，其他可變作用1.4，組合系數(shù)取0.75。

1.2.2 荷載組合

荷載組合：結(jié)構(gòu)自重+鉆機(jī)荷載+風(fēng)荷載+流水壓力荷載組合采用荷載設(shè)計(jì)值（荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以荷載分項(xiàng)系數(shù)）時(shí)用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算;荷載組合采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值用于結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算。

1.2.3 整體建模

充砂鋼管樁施工工作平臺(tái)均采用梁?jiǎn)卧M。模型如圖2所示，荷載作用形式：通過對(duì)鉆機(jī)支點(diǎn)反力的計(jì)算，按集中荷載作用于橫向分配梁上，風(fēng)荷載按線荷載作用于水面以上結(jié)構(gòu)，流水壓力按集中荷載作用于水面以下0.3倍的沖刷深度處（為節(jié)約篇幅本處省略）。

1.2.4 鋼管樁承載力驗(yàn)算（上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性符合要求，為節(jié)約篇幅本處省略）

（1）豎向力。根據(jù)計(jì)算可知，在承載力組合荷載作用下，最大反力為343kN。鋼管采用φ630mm×8mm型號(hào)，鋼材為Q235，設(shè)計(jì)最大立柱高度按35m計(jì)算。Q235鋼材抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度為190MPa。

（2）鋼管承載力計(jì)算。

N=343kN，φ630mm×8mm鋼管：

滿足要求。

（3）鋼管穩(wěn)定性計(jì)算。φ630mm×8mm鋼管回轉(zhuǎn)半徑，按一端固結(jié)，一端鉸接形式考慮，h為鋼管樁長(zhǎng)度（m），長(zhǎng)細(xì)比，滿足要求;查《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）表5-23，可得b類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，則：

，滿足要求。

1.3 鋼管樁充砂結(jié)構(gòu)理論分析

鋼管樁充砂結(jié)構(gòu)的受力需用其他有限元軟件如ANSYS計(jì)算，該次用理論分析鋼管樁充砂受力效果。如圖1固定工作平臺(tái)示意圖中右-立面，假設(shè)單排鋼管樁為下端嵌固在基巖、上端為一對(duì)鋼管樁頂與工字鋼橫梁形成門字形剛構(gòu)以水平彈性連接，單根充砂鋼管樁的受力如圖3所示，鋼管樁內(nèi)徑為R1、外直徑為R2、計(jì)算長(zhǎng)度為h，鋼管樁頂受到貝雷梁平臺(tái)、工字鋼橫梁傳遞的集中垂直力P、力矩MA和均布水流壓力q;受彎剛度為EI的鋼管樁在集中垂直力p、力矩MA、均布水流壓力q和彈性連接A端的水平反力為FA的作用下發(fā)生撓曲，曲率半徑為，假設(shè)鋼管樁內(nèi)填充砂礫的摩阻力與鋼管樁變形與正比（k單位變形的摩阻力，由試驗(yàn)得到），即，則

由于鋼管樁中充砂后剛度，則增大了鋼管樁結(jié)構(gòu)的受壓彎穩(wěn)定性。為了節(jié)約篇幅，該文中各符號(hào)詳見圖3和文獻(xiàn)[3]。

2? 應(yīng)用實(shí)例

浙江省麗水市景寧縣金鐘大橋工程上部采用（68+120+68）m變截面箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用重力式U型臺(tái)，橋墩采用雙肢薄壁墩，承臺(tái)接水深40m左右的深水群樁基礎(chǔ)。樁基施工平臺(tái)位于金鐘大橋主墩1#、2#墩位，平臺(tái)搭設(shè)全長(zhǎng)24m，平臺(tái)寬15m。平臺(tái)面標(biāo)高為156m。平臺(tái)采用φ630×8mm鋼管樁橫向、縱向各布置4排，共計(jì)16根，縱向間距5m+12.6m+5m，橫向間距3m×5m，平臺(tái)上可同時(shí)布置6臺(tái)樁機(jī)以滿足施工需要。

3? 結(jié)語(yǔ)

（1）鋼管樁內(nèi)填充密實(shí)的砂礫，砂礫潔凈含泥量小于3%，含水量小于5%，堆放時(shí)用雨棚遮蓋，砂礫分層依次灌入鋼管樁內(nèi)振動(dòng)密實(shí)，要求密實(shí)度為85%～95%，可增加鋼管樁的剛度5～15%，加強(qiáng)了鋼管樁的承載能力和穩(wěn)定性。（2）鋼管樁可回收再次使用，砂礫取材容易、價(jià)格低廉、可重復(fù)利用、節(jié)約鋼材，與鋼管樁中灌入混凝土提高承載能力和穩(wěn)定性的其他措施相比，具有較大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（3）該工程深水裸巖充砂嵌巖鋼管樁工作平臺(tái)和浮式鋼棧橋于2017年11月開始施工，2018年2月完成，為橋墩樁基、下部承臺(tái)鋼套箱沉放和上部0#塊支架施工提供有力支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐剛，姚勇，鄧勇軍，等.壓實(shí)系數(shù)對(duì)內(nèi)填砂卵石薄壁方鋼管柱在沖擊載荷下力學(xué)性能的影響分析[J].振動(dòng)與沖擊，2017，36（2）：177-184.

[2] 徐鑫.內(nèi)灌砂鋼管柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].蘇州科技大學(xué)，2016.

[3] 陳海圣.水上充砂嵌巖鋼管樁工作平臺(tái)及其施工方法[EB/OL].http：//search.cnipr.com/search！doOverviewSearch.4Index.Action.