大跨度橋梁深水鉆孔平臺分析

李俊松

(四川智通路橋工程技術有限責任公司，四川成都 61000)

1 概述

渠江特大橋位于廣安市岳池縣中和鎮與羅渡鎮之間，是巴中至廣安高速公路跨越渠江的一座特大橋。其主橋跨徑組成85 m+160 m+85 m連續剛構橋。其中4#、5#主墩在水中，水中樁基共24根，平均水深約17.5 m。該橋河床底為砂巖，考慮施工工期、鋼管打插難易程度等因素，樁基礎施工采用鋼護筒支撐鉆孔平臺的施工方案。采用振動錘輔助鋼護筒下沉至巖層，并在河床底部下放矮沉箱、澆筑板筏，再對鋼護筒進行整體連接并在其上搭設鉆孔平臺(圖1)。

2 鉆孔平臺結構構造

鉆孔平臺由鋼護筒、縱橫平聯系、斜撐等部分組成。鋼護筒為鉆孔平臺的主要受力結構。鋼護筒設計直徑應比鉆孔灌注樁的直徑大20～30 cm。縱橫向聯系包括鋼管樁間的聯系、護筒間的聯系以及鋼管樁與護筒間的聯系。橫向聯系起著保證鉆孔平臺橫向穩定性。本橋樁基直徑為2 500 mm。施工平臺采用樁基φ2 700×22 mm鋼管樁，鋼護筒分為頂端段、標準段、刃腳段分別進行加工。采用2[32B槽鋼作橫縱平聯連接所有鋼護筒，再用[16作斜撐,然后在鋼護筒的牛腿上布設鉆孔平臺(圖2、圖3)。

圖2 鉆孔平臺平面尺寸

圖3 鉆孔平臺剖面尺寸(橫橋向)

3 鉆孔平臺施工工藝要點

(1)每根護筒安裝順序：刃腳段護筒吊運—各標準段護筒吊運及拼裝—頂端段護筒吊運及拼裝—護筒拼裝完成后整體下放—護筒位置調整及鎖定—進入護筒橫撐及牛腿焊接。

(2)護筒的導向架：護筒下放時的導向通過在操作平臺上的I45B工字鋼進行確定。限位上橫桿采用I25B工字鋼，設置于操作平臺主梁頂面。

(3)鋼護筒在定位完成后需進行振動下沉。采用VM4500型振動錘，其最大激振力為870 kN，機身重量12 t。在鋼護筒位置確定后，在護筒頂安裝夾具及振動錘，夾緊護筒后，放松吊點開始振動。

(4)鋼護筒橫向平聯設計為2[32B槽鋼，兩端均焊接于同一橫軸線上的相鄰縱牛腿中肋板上，兩槽鋼背向設置，以便焊接。

(5)鋼護筒聯接系統施工完畢、鋼沉箱下放后依次進行平臺縱向主梁、橫向主梁、分配梁的安裝，縱、橫向主梁均為I45B工字鋼，分配梁為I25B工字鋼，均由運輸船運輸到位，使用龍門吊進行安裝。

(6)給橫向主梁安裝到位后，在鋼平臺四角拉設下拉纜，下拉纜的錨碇同導向船錨碇，錨繩同邊錨錨繩。拉纜收錨采用5 t手拉葫蘆。

4 鉆孔平臺有限元模型建立及結果分析

4.1 整體模型

根據平臺尺寸,采用有限元計算軟件Midas Civil建立的鉆孔平臺有限元模型如圖4所示。

圖4 鉆孔平臺有限元計算模型

鋼護筒直徑2.7 m，采用厚度為22 mm鋼板卷制而成，加強箍厚度為12 mm,與鋼護筒焊接在一起，護筒間縱橫連接系采用2根型號32B槽鋼，護筒間斜撐采用2根型號16A槽鋼，平臺分配梁采用I25B工字鋼，平臺縱、橫梁采用I45B工字鋼，并與護筒上的牛腿支架連接在一起。

4.2 約束及邊界條件

實際工程中鉆孔平臺各鋼構件之間均采用焊接，故在建立Midas有限元模型時將這些構件間的連接均處理為剛性連接，包括鋼管粧和橫梁間的連接、橫梁和縱向分配梁間的連接、托架連接以及鋼管樁之間的連接等。

平臺結構中的鋼管樁、鋼護筒和河床地基土之間的相互作用很復雜，考慮到本工程主要分析的是平臺上部結構的力學性能，故此處采用假想嵌固點的方法，在河床泥底面以下一定深度處認為平臺粧完全嵌固，在Midas有限元模型中將鋼護筒底部的邊界條件設置為固接。

4.3 鉆孔平臺靜力

(1)垂直荷載

計算荷載主要包括平臺各構件自重和鉆孔機荷載，擬選用正循環沖擊鉆機，每臺鉆機占用面積約15 m2中，鉆孔支架重10 t，沖錘重約8 t。考慮鉆機中心距樁中心距離3.5 m

(2)動力壓力

承重鋼管最大吃水深度為315 mm，按下式計算吊箱所受的水流沖擊力：

F=K(γV2/2g)A(kN)

(3)風荷載

鋼管露出水面高度按400 mm計,橋面系折算高度按100 mm計。

Fwh=k0k1k3WdAwh

考慮最不利荷載作用：來流水壓力、風荷載、自重以及平臺上鉆機重。

4.4 鉆孔平臺靜力分析

(1)鋼護筒應力結果

鋼護筒應力結果如圖5所示。

圖5 鋼護筒正應力

從上圖可以看出，鋼護筒斜撐的最大的最大值發生在下游側最后一排鋼護筒底端處，最大值38.09 MPa<215 MPa；鋼護筒軸應力均較小，應力值均滿足要求。

(2)縱向分配梁的應力結果

從圖6中可看出平臺分配梁最大正應力36.35 MPa<215 MPa，從圖7可看出最大剪應力6.6 MPa<125 MPa，故平臺縱向分配梁的正應力和剪應力均滿足要求。

圖6 縱向分配梁的正應力

圖7 縱向分配梁的剪應力

(3)鋼護筒斜撐應力結果

從圖8可以看出，鋼護筒斜撐的最大正應力值73.58 MPa<215 MPa；最大軸應力值64.59 MPa<190 MPa從分析可知鋼護筒斜撐的應力分布主要受水平方向作用力影響較大，依據計算結果可知構件應力值均滿足要求。

圖8 縱向分配梁的剪應力

(4)鋼護筒變形結果

鋼護筒的變形如圖9所示，從圖中可知其最大變形為管徑方向的9.59 mm，而已知鋼護筒的厚度為22 mm，該最大變形不超過鋼護筒壁厚，可知，其對鋼護筒形狀影響很小，可以忽略不計，故滿足使用要求。

圖9 鋼護筒變形

5 鉆孔平臺有穩定性分析

本文運用大型有限元分析軟件MIDAS計算了多種荷載工況下不同模式的施工平臺的穩定系數及失穩模態。最后選取兩種最不利工況下結構的穩定性進行分析，即：考慮最不利荷載作用：來流水壓力、風荷載、自重以及平臺上鉆機重，分類兩種荷載工況進行分析。荷載工況一：上述最不得荷載組合，其中鉆機位于上河流上游側；荷載工況二：上述最不得荷載組合，其中鉆機位于河流下游側。

(1)鉆孔平臺穩定性分析結果

鉆孔平臺第一階失穩模態分別如圖10、圖11所示。

圖10 第一階失穩模態(工況一)

圖11 第一階失穩模態(工況二)

從以上失穩模態分析可知，鋼護筒平臺結構體系的第一階失穩系數為4.18，與結構的整體穩定性較好，由圖中可知前五階失穩主要均是發生護筒間的橫向連接系構件失穩，說明此連接系相對平臺整體的剛度相對較弱，這與前述的平臺靜力分析與動力特性分析結果較吻合。兩種荷載工況下平臺結構的失穩模態相同，失穩系數差異不大，說明了平臺上鉆機作用位置對平臺失穩影響不太明顯。

(2)鋼絲繩+地錨對平臺穩定性的影響

為了進一步分析增加鋼絲繩+地錨對平臺穩定性的影響，分別分析對應工況下增加鋼絲繩+地錨后平臺結構的失穩模態，兩種最不利工況下的結構失穩模態圖如圖12、圖13所示。

圖12 第一階失穩模態(工況一)

圖13 第一階失穩模態(工況二)

從增加鋼絲繩+地錨后平臺失穩模態分析可知，鋼護筒平臺結構體系的第一階失穩系數為4.7，較原來平臺系統有明顯提高，說明增加鋼絲繩+地錨可以在一定程度上提高平臺的穩定性。由圖中可知前五階失穩仍然主要均是發生護筒間的橫向連接系構件失穩，說明此連接系相對平臺整體的剛度相對較弱，這與前述的平臺靜力分析與動力特性分析結果較吻合。兩種荷載工況下平臺結構的失穩模態相同，失穩系數差異不大，說明了平臺上鉆機作用位置對平臺失穩影響不太明顯。

6 結論

根據平臺結構的實際構件以及連接方式，利用MIDAS軟件對鋼護筒平臺建立有限元模型，并進行多種荷載工況下的靜力分析，動力分析以及穩定性分析可知：

(1)簡單介紹了大跨度橋梁深水樁基礎施工樁孔平臺的結構構造和施工工藝要點。

(2)通過有限元計算得到鉆孔平臺各構件的靜力分析結果，計算結果表明，該平臺結構在采用指定沖擊鉆進行施工時，平臺的各構件承載能力可以滿足要求，平臺的變形在允許范圍之內，平臺結構具有一定的安全儲備。

(3)通過對鉆孔平臺結構的穩定性分析可知，體系的第一階失穩系數為4.18，與結構的整體穩定性較好，前五階失穩主要均是發生護筒間的橫向連接系構件失穩，說明此連接系相對平臺整體的剛度相對較弱，從增加鋼絲繩+地錨后平 臺失穩模態分析可知，鋼護筒平臺結構體系的第一階失穩系數為4.7，較原來平臺系統有明顯提高，說明增加鋼絲繩+地錨可以在一定程度上提高平臺的穩定性。