采用Midas Civil軟件分析鉆孔平臺穩(wěn)定性

喬建軍，王 軍，劉 偉

(中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430081)

隨著我國港口工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，碼頭平臺設(shè)計(jì)尺寸越來越大。項(xiàng)目管理逐漸向精細(xì)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范轉(zhuǎn)變。鉆孔平臺搭設(shè)完成后，需要考慮穩(wěn)定性，常規(guī)采用壓載或手算等方法進(jìn)行簡單核定。工程是不可復(fù)制的，不同的荷載對平臺的功能要求不同，采用這種方式，施工安全風(fēng)險(xiǎn)增大，容易發(fā)生坍塌等安全事故，故采用軟件分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性應(yīng)運(yùn)而生。

1 Midas Civil軟件使用現(xiàn)狀和推廣前景

MIDAS Civil針對土木結(jié)構(gòu)，特別是復(fù)雜的平臺結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)可以做非線性邊界分析、材料非線性分析。能夠迅速、準(zhǔn)確地完成類似結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)。它的幾何建模和網(wǎng)格劃分技術(shù)采用了在土木領(lǐng)域中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的前后處理軟件Midas FX+的核心技術(shù)，同時(shí)融入了MIDAS強(qiáng)大的線性、非線性分析內(nèi)核，是一款專門適用于土木領(lǐng)域的高端非線性分析和細(xì)部分析軟件[1]。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算需要考慮的問題

1)材料的選型。優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，使各種材料滿足最佳受力狀態(tài)。

2)功能要求布置。驗(yàn)算鉆孔平臺的穩(wěn)定性，主要是滿足使用要求。鉆孔平臺主要用于灌注樁施工，兼有現(xiàn)澆下橫梁施工功能。

3)同樣需要考慮水流荷載、風(fēng)荷載等其他不明荷載。

4)設(shè)計(jì)的目的是施工，基礎(chǔ)的承載力同樣是驗(yàn)算需要考慮的，可為后期實(shí)施提供更大的安全系數(shù)。

2.2 鉆孔平臺設(shè)計(jì)思路

碼頭鉆孔平臺采用鋼護(hù)筒作為平臺基礎(chǔ)，上部采用型鋼搭設(shè)而成，結(jié)構(gòu)從上至下依次為：5 mm鋼板網(wǎng)、縱向分配梁I20a型鋼、主梁(D-E軸2根I36a型鋼，A-D軸1根I36a型鋼)、牛腿。縱向分配梁間距為0.60～0.75 m，根據(jù)鋼護(hù)筒的樁位不同而略有變化。施工平臺后沿設(shè)置安全通道，安全通道區(qū)從上至下依次為：欄桿、鋼板網(wǎng)、[10槽鋼、I14a型鋼。前沿設(shè)置安全欄桿，依次為[10槽鋼、腳手管。鉆孔平臺總體結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 鉆孔平臺總體結(jié)構(gòu)布置

3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1 材料特性

Q235B鋼材的物理力學(xué)特性[2]為：拉、壓、彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa，彈性模量206 GPa，剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=125 MPa，τ容=95 MPa，剪切模量79 GPa。

3.2 計(jì)算荷載

1)恒載[3]。結(jié)構(gòu)自重，計(jì)算不利荷載為基礎(chǔ)，下橫梁澆筑時(shí)，下橫梁截面尺寸為2.4 m(寬)×1.2 m(高)，鋼筋混凝土密度取2.5 tm3，模板采用木模，澆筑方式為地泵澆筑。

2)堆載。臨時(shí)堆載5 kPa，人員荷載1 kPa。

3)施工荷載。所有區(qū)域均為2.5 kPa。

4)模板荷載。按2.0 kPa考慮。

5)鉆機(jī)荷載。鉆機(jī)機(jī)體120 kN；落錘60 kN；假設(shè)鉆機(jī)機(jī)體和落錘構(gòu)成一個(gè)整體，總質(zhì)量18 t，取動(dòng)力系數(shù)1.1，總荷載取為198 kN。鉆機(jī)作用在3根縱梁上，縱向間距為4 m。單個(gè)支點(diǎn)荷載取為33 kN。

6)水流力。水流力按《港口工程荷載規(guī)范》[4]計(jì)算：

Fw=Cwρv2A2

(1)

式中：Fw為水流力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；Cw為水流阻力系數(shù)；ρ為水密度，取1.0 tm3；v為水流設(shè)計(jì)速度(ms)；A為構(gòu)件與流向垂直面上的投影面積(m2)。

φ1 600×14鋼管樁水流力標(biāo)準(zhǔn)值：施工期高水位44.0 m，流速v=2.5 ms，取泥面29 m，則Fw=54.75 kN。

作用點(diǎn)高程39 m，水流力標(biāo)準(zhǔn)取值見表1。

表1 水流力標(biāo)準(zhǔn)取值

注：施工期高水位44.0 m，流速v=2.5 ms。

φ1 200×14的平聯(lián)水流力標(biāo)準(zhǔn)值為Fw=2.74 kN。

7)風(fēng)荷載。湖北荊州，查表風(fēng)速取v=22.2 ms，按《港口工程荷載規(guī)范》計(jì)算：

(2)

式中：Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；v為港口附近的空曠地面，離地10 m高、重現(xiàn)期50 a的10 min平均最大風(fēng)速(ms)。計(jì)算得Wk=0.25 kPa。

3.3 鉆孔平臺穩(wěn)定計(jì)算

鋼護(hù)筒入土段采用m法建立彈簧單元，采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐，覆蓋層m值取10 000，巖石層m值取20 000。鋼護(hù)筒與橫撐固結(jié)，牛腿與橫梁固結(jié)，主梁I36型鋼與牛腿剛性連接，分配梁與主梁I36型鋼彈性連接。選取80#～85#排架，建立有限元模型，見圖2。

圖2 鉆孔平臺有限元模型

鉆孔平臺正常工作工況，整體變形采用標(biāo)準(zhǔn)組合，其余采用基本組合。基本組合：1.2×(自重+堆載)+1.4×(施工荷載+鉆機(jī)荷載+水流力+風(fēng)荷載)。

標(biāo)準(zhǔn)組合：1.0×(自重+堆載)+1.0×(施工荷載+鉆機(jī)荷載+水流力+風(fēng)荷載)。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 鉆孔平臺計(jì)算結(jié)果

各構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求。查鉆孔平臺有限元模型得順?biāo)鞣较蜃冃螢?7 mm，滿足剛度要求。I36a型鋼豎向變形為17 mm，滿足剛度要求。各軸壓構(gòu)件的應(yīng)力水平偏低，穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 下橫梁支架穩(wěn)定計(jì)算

樁基入土段采用m法建立彈簧單元，采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐，覆蓋層m值取10 000，巖石層m值取20 000。鋼護(hù)筒與橫撐固結(jié)，牛腿與橫梁固結(jié)，主梁I36與牛腿剛性連接。以80#～85#排架建立有限元模型，見圖3。

圖3 下橫梁施工支撐有限元模型

下橫梁支架正常工作工況，整體變形采用標(biāo)準(zhǔn)組合，其余采用基本組合。基本組合：1.2×(自重力+混凝土澆筑重力)+1.4×(模板重力+施工荷載+水流力+風(fēng)荷載)。標(biāo)準(zhǔn)組合：1.0×(自重力+混凝土澆筑重力)+1.0×(模板重力+施工荷載+水流力+風(fēng)荷載)。

計(jì)算結(jié)果見表3，由于灌注樁已經(jīng)成孔，這里不列出鋼護(hù)筒、平聯(lián)的受力結(jié)果。

表3 下橫梁施工支撐計(jì)算結(jié)果

各構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求。查下橫梁施工支撐有限元模型得I36的豎向變形為14 mm，滿足剛度和穩(wěn)定性要求。

牛腿翼板厚16 mm，長寬均為400 mm；腹板厚16 mm，長500 mm，寬400 mm；雙腹板，翼板擱置在腹板上。腹板、翼板、鋼護(hù)筒三者之間有效焊接，焊高10 mm。牛腿結(jié)構(gòu)大樣見圖4。

圖4 牛腿結(jié)構(gòu)大樣(單位：mm)

計(jì)算可得知：牛腿翼板、腹板局部應(yīng)力188 MPa<極限應(yīng)力215 MPa，滿足強(qiáng)度要求，驗(yàn)算結(jié)果見圖5。

圖5 牛腿結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

1)通過Midas Civil軟件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)驗(yàn)算，表明平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全可靠、提質(zhì)增效。

2)應(yīng)用工程軟件對鉆孔平臺在不同工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行詳細(xì)核算。通過軟件的全程數(shù)據(jù)支撐，打破了工程領(lǐng)域傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗(yàn)和理論公式計(jì)算的弊端。

3)從計(jì)算結(jié)果看來，Midas Civil對材料選型分析、鉆孔平臺功能布置、多種荷載疊加計(jì)算、工程的實(shí)施等方面有獨(dú)特的設(shè)計(jì)功能，可為類似工程提供參考。