復雜山區深水樁基沖孔平臺設計及有限元分析

摘 要：以瀘定至石棉高速公路的橋梁工程為依托，利用Midas/Civil軟件按照移動荷載、沖擊荷載綜合分析法對樁基沖孔平臺進行設計及分析。通過介紹建模過程，對平臺結構在樁基沖擊鉆作用以及履帶吊吊裝施工下的剛度、強度、整體穩定性以及自振情況進行分析，得出平臺在實際使用過程中會發生的不利工況，采用有限元模型模擬吊車在移動過程中的最不利工況，指導現場施工。

關鍵詞：橋梁工程；樁基施工；水中平臺；結構分析；Midas

中圖分類號：U442 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0126-04

Abstract： Based on the bridge project of the Luding-Shimian Expressway， Midas/Civil software was used to design and analyze the pile foundation punching platform using the comprehensive analysis method of moving load and impact load. By introducing the modeling process， this paper analyzes the stiffness， strength， overall stability， and natural vibration of the platform structure under pile foundation impact drilling and crawler crane lifting construction. The adverse working conditions that may occur during the actual use of the platform are identified. The finite element model is used to simulate the most unfavorable working conditions of the crane during movement， so as to provide guidance for on-site construction.

Keywords： bridge engineering; pile foundation construction; underwater platform; structural analysis; Midas

隨著近些年來我國基礎設施建設的全面深化，橋梁施工的地形也越來越復雜，尤其在地質復雜的山區，橋隧占比普遍較高，并且制約橋梁施工工期的控制節點就是樁基施工，特別是深水樁基的施工尤其重要。深水樁基施工通常通過搭設鋼平臺的方法進行施工，鋼平臺以插打鋼護筒作為平臺的基礎，但此法施工周期較長，為解決這一難題，本文通過深水樁基的鋼護筒作為平臺基礎既可以節省工期也能節約鋼護筒所需要的材料。本文基于Midas/Civil有限元軟件，以瀘石高速得妥特大橋的深水樁基施工為依托，采用有限元模型模擬樁基施工中的不利工況，提出一種適用于平臺施工的結構，為保障深水樁基的施工起到深遠的影響意義。

1 工程概況

瀘（定）石（棉）高速得妥特大橋位于得妥鎮繁榮村和北頭村境內，為跨越大渡河而設。橋梁主跨采用4×72 m+5×70 m鋼箱梁簡支梁橋，起止樁號：K45+610～K47+128，橋梁全長1 518 m。其主墩采用桁式墩（9#、10#、11#墩處于河道內，如圖1所示），為鋼管混凝土墩，墩臺采用無承臺樁基礎。

2 鋼平臺設計

結合施工現場9#、10#、11#墩的位置，沖孔平臺平臺設置于橋墩位，為減少鋼材的用量以及節省工期，減少后期施工完成拆除的工作量，本方案采用鋼護筒獨立支撐方式搭設平臺，如圖2所示，這樣既有效利用了沖孔所需要的永久性鋼護筒，又減少了插打鋼管樁搭設平臺的過程。平臺尺寸為10 m×25.5 m，鋼護筒打入河床應大于9 m，護筒采用Φ2 200 mm×22 mm鋼板，在鋼護筒四周先焊接牛腿，再在牛腿上搭設一層45b工字鋼作為承重型鋼，再在承重工字鋼上沿順橋向搭設一層I45b工字鋼縱梁，I45b縱梁工字鋼上再沿橫橋向設置I25b工字鋼分配梁間距40 cm，分配梁上焊接8 mm花紋鋼板作為橋面板；為加強支架整體性，在承重工字鋼下，沿橫橋向外側鋼護筒外側設置I45b加強梁，與承重梁焊接；鋼護筒橫橋向間設置I45b工字鋼平聯，[20槽鋼斜撐。這樣的平臺設計摒棄了以往需要用鋼管樁加貝雷梁來搭設鋼平臺的方式，大大節省了工期并且節約了材料減少了平臺自重。

3 鋼平臺受力計算

3.1 設計參數及材料強度

鋼材。所用鋼板、鋼筋及型鋼均為Q235b鋼材，其密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，阻尼比為0.02，Q235b鋼材的彈性模量取2.06×105 MPa。

3.2 荷載

1）自重。鋼材容重按78.5 kN/m3，由程序自動計入。

2）吊重。吊重設備采用75 t履帶吊機，自重加配重共75 t，接觸面積為2×5 440×800 mm2。75 t履帶吊機行走時速度不得大于5 km/h。履帶吊機在鋼平臺上工作時最大吊重35 t。

3）沖擊荷載。75 t履帶吊最大行走速度按1 km/h計，即0.28 m/s，根據GB/T 3811—2008《起重機設計規范》，運行速度小于等于0.4 m/s，沖擊系數取1.0。

4）沖擊鉆荷載。沖孔平臺鉆孔作業時，按4臺機械同時工作，沖擊鉆長8 m，寬2.2 m，每臺沖擊鉆按20 t計。

5）水流力。根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》規范第4.3.9規定，作用于前排鋼護筒的水流壓力：Fw前=47.6 kN，后排管水流壓力為：Fw后=33.32 kN。流水壓力的合力作用點假定設在設計水位線以下0.3倍水深處。

6）漂浮物荷載。漂浮物漂至鋼護筒處，形成水頭差，考慮漂浮物高1 m，寬3 m，在鋼護筒頂部增加20 kN水平荷載。

7）風荷載。根據氣象情況，橋區風速可達15 m/s，大風天氣約10.5 d/a。按JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風設計規范》進行計算。

3.3 荷載組合

采用“承載能力極限狀態設計法”進行荷載計算，按荷載的基本組合計算荷載組合的效應設計值。

3.4 沖孔平臺計算模型

平臺作為一種重要的大臨設施，其設計驗算準則：在工作狀態下，應滿足鉆孔樁施工時的安全性和適用性的要求，并具有良好的安全儲備；在非工作狀態下，平臺禁止車輛通行與施工作業，此時平臺應能滿足整體安全性的要求，允許出現局部可修復的損壞。沖孔平臺分為吊裝區和鉆孔區，采用Midas計建立整體模型。計算模型如圖3所示。

3.4.1 施工狀態計算

此時按照沖孔鉆機的節點荷載作用在平臺上進行結構分析。

1）強度計算。在荷載組合作用下，沖孔平臺各構件應力云圖分別如圖4—圖7所示。

計算結果表明：橫向分配梁I25b在沖擊鉆荷載作用下應力為34.8 MPa；縱梁I45b工字鋼在沖擊鉆荷載作用下應力為85.4 MPa；橋面板8 mm花紋鋼板在沖擊鉆荷載作用下應力為9.73 MPa；平臺支撐基礎鋼護筒在沖擊荷載以及水流力作用下應力為46.6 MPa。鋼管支撐架構件最大組合應力為-85.4 MPa，出現在45b縱梁上，平臺最大剪切應力為-10.9 MPa，出現在25b分配梁處，均小于鋼材強度設計值，滿足要求。

2）剛度計算。在荷載組合作用下，沖孔平臺位移云圖如圖8和圖9所示。

計算表明，在沖擊鉆機荷載、流水壓力等作用下，沖孔平臺縱向與橫向位移均較小，豎向位移最大為-3.7 mm≤L/400=17.25 mm，橫向位移最大為-13 mm≤L/400=50 mm，滿足要求。

3）反力計算。在結構自重、水流荷載、沖擊鉆荷載作用下，并考慮安全系數后，鋼管最大反力如圖10所示。

計算表明，樁基最大反力為398.7 kN。

4）穩定性計算。將移動荷載產生的最大支點反力加載至鋼護筒頂，與沖孔平臺自重進行組合，對平臺進行穩定性分析如圖11所示。

一階模態特征值為19.3，鋼護筒穩定性滿足要求。

根據以上計算結果顯示，鋼平臺在沖擊鉆荷載作用下其剛度、強度及穩定性都能很好地滿足使用要求。

3.4.2 護筒平臺牛腿局部強度計算

沖孔平臺牛腿采用2 cm鋼板及雙拼45b工字鋼與鋼護筒進行焊接，焊縫高度不小于8 mm，焊縫應飽滿，為防止焊接殘余應力損傷結構，控制焊接參數，采用預熱和后熱處理，合適的焊接順序和方式，適當的焊接接頭形式和填充材料，并且采用二氧化碳保護焊。護筒平臺牛腿計算模型如圖12和圖13所示。

護筒平臺牛腿受力的主要工況為沖擊鉆機在平臺上沖孔作業，主要荷載為沖擊鉆機+結構自重。每個牛腿承受30 t荷載，并考慮沖擊系數為1.3進行計算。

鋼護筒的受力及變形情況如圖14和圖15所示。

結果顯示，鋼護筒與牛腿接觸部位的最大組合應力為145 MPa，強度滿足要求，位移變形值為7.2 mm，剛度滿足要求。

4 結束語

鋼護筒平臺在作為深水樁基的施工平臺時，該結構安全可靠，振感小，用料節約，實施情況好。該平臺施工完成后在使用期間，沒有出現過異常情況，施工車輛順利通行，沖孔鉆機能正常作業，穩定性滿足要求。

1）針對深水樁基施工用鋼平臺采用移動荷載綜合分析法更為科學，能快速分析出荷載作用的最不利工況位置，并根據分析結果，提出有效的優化設計方案。

2）該方法操作簡單，按照該思路進行類似結構驗算，尤其是單元較多、操作復雜的結構，其對于不具備較強結構力學能力的技術人員來說，同樣能快速、準確地進行結構驗算，有助于提高工作效率。

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