鉆孔平臺及棧橋空間受力分析

何 棟

（廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州510420）

1 工程概況

金沙江橋3號鉆孔平臺主要用于鉆孔樁基礎(chǔ)施工，鉆孔平臺包含鉆孔區(qū)域和棧橋兩部分，棧橋主要用于材料運輸及為100 t履帶吊、100 t龍門吊等起吊設(shè)備提供相關(guān)通道。

平臺基礎(chǔ)采用φ800×12鋼管樁，橫向分配梁采用2根HN500×200型鋼組合截面，縱向分配梁采用3根HN500×200型鋼組合截面。頂部采用工20型鋼，間距為400 mm。橋面板采用鋼橋面板，面板采用8 mm厚的花紋板。

棧橋采用φ800×12鋼管樁，最大跨徑15 m，分配梁采用2根HN450×200型鋼組合截面，橋面由標準貝雷梁及鋼橋面板組成。

圖1 鉆孔平臺及棧橋平面布置圖（單位：mm）

圖2 鉆孔平臺立面布置圖（單位：mm）

2 荷載

2.1 活載

a）KTY4000鉆機KTY4000型鉆機鉆孔時，自重按200 t計算，鉆機工作時由四點支撐，縱向支點間距為6.0 m，橫向支點間距為4.63 m。單點作用力豎向為P=200/4=50 t。工作時產(chǎn)生的扭矩為300 kN·m，轉(zhuǎn)換為四作用點的力偶，則每作用點的水平力F=300/4.63/2=32.40 kN。

b）100 t履帶吊吊重 自重110 t，正向吊重70 t控制，側(cè)向吊重按20 t控制。履帶著地長度6.2 m，履帶寬度0.94 m，兩履帶距離5.2 m。履帶吊機空載行走時94.4 kN/m2，吊機前方吊重時274 kN/m2，吊機側(cè)向吊重時兩履帶作用力為29 kN/m，164 kN/m。

c）門吊荷載G=1 500 kN。

d）混凝土罐車荷載 滿載總質(zhì)量為31 t，考慮1.2倍沖擊系數(shù)。

e）水流荷載 根據(jù)橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計資料及橋梁施工需要，參考《港口工程荷載規(guī)范》計算水流力標準值。

f）施工荷載3 kN/m2。

g）風荷載 平臺施工狀態(tài)、工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的允許風力分別為：6級、8級和10級，相應(yīng)風速分別為：13.8 m/s、20.7 m/s、28.4 m/s。當風力超過6級時，禁止棧橋自身施工；當風力超過8級時，禁止在平臺上作業(yè)，當風力超過10級時，棧橋禁止通行。風載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》進行計算。

2.2 結(jié)構(gòu)恒載

本平臺恒載主要為鋼管樁、分配梁及橋面板等結(jié)構(gòu)自重。

3 三維有限元仿真計算模型

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

a）平臺頂面高程+279.0 m；

b）設(shè)計高水位+277.0 m；

c）設(shè)計水流速度3 m/s；

d）河床標高 +244.7 m；

e）土體對鋼管樁及鋼護筒彈性支撐的反力系數(shù)取值m=2 000 kN/m4；

f）結(jié)構(gòu)設(shè)計值 由于本結(jié)構(gòu)為臨時工程，荷載計算如采用極限狀態(tài)法設(shè)計比較復(fù)雜，且各荷載的分項系數(shù)不明確，為了計算的簡便且可靠，采用容許應(yīng)力法計算，Q235鋼材，容許彎曲應(yīng)力：[σ]=170 MPa，容許剪切應(yīng)力：[τ]=100 MPa。

3.2 荷載組合

3.2.1 平臺荷載工況

3.2.1.1 平臺建立工況

a）工況一 自重+低水位水流荷載+風荷載（平臺未與護筒連接）；

b）工況二 自重+履帶吊吊裝作業(yè)（平臺未與護筒連接）。

3.2.1.2 平臺使用工況

a）工況三 自重+6臺鉆機+低水位水流荷載+混凝土罐車荷載（平臺未與護筒連接）；

b）工況四 自重+6臺鉆機+高水位水流荷載+混凝土罐車荷載（平臺與護筒連接）。

3.2.1.3 平臺渡洪工況

工況五 自重+6臺鉆機+洪水位水流荷載（平臺與護筒連接）。

3.2.2 棧橋荷載工況

3.2.2.1 棧橋正常使用工況

a）工況一 履帶吊起吊+龍門吊起吊+自重+低水位水流荷載+風荷載（棧橋未與護筒連接）；

b）工況二 罐車荷載+龍門吊起吊+自重+低水位水流荷載（棧橋未與護筒連接）；

c）工況三 罐車荷載+龍門吊起吊+自重+高水位水流荷載（棧橋與護筒連接）。

3.2.2.2 棧橋渡洪工況

工況四（渡洪工況） 自重+洪水位水流荷載（棧橋與護筒連接）。

3.3 結(jié)構(gòu)離散

該平臺結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，為準確模擬其受力特征，采取整體空間模型計算鉆井平臺及棧橋整體效應(yīng)[1]。河床標高為+244.68，不考慮沖刷，鋼管樁底部采用鉸接，覆蓋層同鋼管之間在水流力方向采用彈性支撐連接。

吊機荷載均考慮1.05的沖擊系數(shù)，此系數(shù)在模型工況組合里設(shè)置。建立模型如圖3。

圖3 鉆孔平臺整體模型

4 主要受力構(gòu)件計算結(jié)果及分析

4.1 低水位下棧橋正常使用計算結(jié)果

4.1.1 橋面板分配梁計算結(jié)果

在工況一、工況二荷載作用下，經(jīng)計算，橋面板分配梁最大組合應(yīng)力155 MPa，橋面板分配梁采用Q235鋼材，容許應(yīng)力170 MPa，故橋面板分配梁強度滿足規(guī)范要求。

4.1.2 貝雷梁計算結(jié)果

在工況一、工況二荷載作用下，貝雷梁弦桿最大軸力346 kN，豎桿最大軸力148 kN，斜桿最大軸力116 kN，貝雷梁弦桿允許最大軸力560 kN，豎桿允許最大軸力210 kN，斜桿允許最大軸力171 kN，故貝雷梁強度滿足規(guī)范要求；貝雷梁最大豎向位移21.6 mm，計算跨徑15 m，允許撓度取 l/400為37.5 mm，故貝雷梁剛度滿足規(guī)范要求。

4.1.3 分配梁計算結(jié)果

在工況一、工況二荷載作用下，樁頂分配梁A最大組合應(yīng)力65.6 MPa，最大剪應(yīng)力62 MPa，梁采用Q235鋼材，容許應(yīng)力170 MPa，容許剪應(yīng)力100 MPa，最大位置計算跨徑3.5 m，允許撓度取l/400為8.8 mm，故其強度及剛度均滿足規(guī)范要求。

4.1.4 鋼管樁計算結(jié)果

在工況一、工況二荷載作用下，鋼管樁最大豎向反力870 kN，其穩(wěn)定計算應(yīng)力滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。由模型直接計算得其最大組合應(yīng)力74 MPa，鋼管樁強度滿足規(guī)范要求。

4.2 高水位下棧橋正常使用計算結(jié)果

高水位情況下，工況三棧橋渡洪正常使用計算結(jié)果為：經(jīng)計算，受力最大鋼管內(nèi)力圖如圖4、圖5。

圖4 高水位工況三鋼管樁彎矩圖（單位：kN·m）

圖5 高水位工況三鋼管樁軸力圖（單位：kN）

由模型上直接查鋼管應(yīng)力最大值：57 MPa；連接系應(yīng)力圖最大值：83 MPa；棧橋最大橫向位移68 mm。鋼管樁及連接系最大組合應(yīng)力83 MPa，容許應(yīng)力170 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.3 洪水位下棧橋渡洪計算結(jié)果

在洪水來臨之前，要求棧橋按圖紙要求同鋼護筒連接，在洪水期，要求棧橋停止作業(yè)，禁止人員和設(shè)備上棧橋，工況四棧橋渡洪工況計算結(jié)果如下：經(jīng)計算，受力最大鋼管內(nèi)力圖如圖6、圖7。

圖6 洪水位工況四鋼管樁彎矩圖（單位：kN·m）

圖7 洪水位工況四鋼管樁軸力圖（單位：kN）

由模型上直接查鋼管應(yīng)力最大值：102.8 MPa；連接系應(yīng)力最大值：153 MPa；棧橋最大橫向位移136 mm；最大豎向反力518 kN。鋼管樁及連接系最大組合應(yīng)力153 MPa，容許應(yīng)力170 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.4 低水位下平臺正常使用計算結(jié)果

4.4.1 工況一計算結(jié)果

自重+低水位水流荷載+風荷載（平臺未與護筒連接），此工況僅計算鋼管樁及連接系受力。

圖8 低水位工況一鋼管樁彎矩圖（單位：kN·m）

圖9 低水位工況一鋼管樁軸力圖（單位：kN）

由模型上直接查鋼管樁應(yīng)力圖最大值：36.5 MPa；連接系應(yīng)力圖最大值：45.5 MPa；平臺最大橫向位移45 mm；最大豎向反力252 kN。從計算結(jié)果可知，鋼管樁及連接系最大組合應(yīng)力45.5 MPa，允許應(yīng)力170 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.4.2 工況二計算結(jié)果

自重+履帶吊吊裝作業(yè)（平臺未與護筒連接）。

4.4.2.1 橫向分配梁計算結(jié)果

由計算可知，橫向分配梁最大彎矩357 kN·m，最大剪力239 kN，橫向分配梁由2根HN500×200的型鋼組合而成，其截面特性滿足要求。

4.4.2.2 縱向分配梁計算結(jié)果

由計算可知，縱向分配梁最大彎矩393 kN·m，最大剪力529 kN，縱向分配梁由3根HN500×200的型鋼組合而成，其截面特性滿足要求。

4.4.3 工況三計算結(jié)果

自重+6臺鉆機+低水位水流荷載+混凝土罐車荷載（平臺未與護筒連接）。

4.4.3.1 橫向分配梁計算結(jié)果

由計算可知，橫向分配梁最大彎矩486 kN·m，最大剪力383 kN，橫向分配梁由2根HN500×200的型鋼組合而成，其截面特性滿足要求。

4.4.3.2 縱向分配梁計算結(jié)果

由計算可知，縱向分配梁最大彎矩916 kN·m，最大剪力1 072 kN，縱向分配梁由3根HN500×200的型鋼組合而成，其截面特性滿足要求。

4.4.3.3 鋼管樁計算結(jié)果

由計算可知，橫向分配梁最大彎矩134.2 kN·m，最大剪力1 457.5 kN，截面特性滿足要求。

4.5 高水位下平臺使用工況計算結(jié)果

a）工況四計算結(jié)果 自重+6臺鉆機+高水位水流荷載+混凝土罐車荷載（平臺與護筒連接）。

b）鋼管樁計算結(jié)果 由計算鋼管的最大軸力N=1 458 kN，最大彎矩246 kN·m，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》其穩(wěn)定計算應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

4.6 洪水位下平臺渡洪計算結(jié)果

a）工況五計算結(jié)果 自重+6臺鉆機+洪水位水流荷載（平臺與護筒連接），工況四渡洪主要計算水平荷載，因此僅給出受水平荷載影響的構(gòu)件結(jié)果。

b）鋼管樁計算結(jié)果 由計算鋼管的最大軸力N=1 458 kN，最大彎矩386 kN·m，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》其穩(wěn)定計算應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

在橋梁的建設(shè)過程中，經(jīng)常為了解決深水中施工樁基的難題，需要搭設(shè)水中鉆孔平臺和棧橋。通過建立三維有限元仿真計算模型，分析鉆孔平臺和棧橋構(gòu)件受力情況，探討施工過程中鉆孔平臺和棧橋存在的薄弱點，對保證水上施工平臺和棧橋的建造以及建成后營運安全非常重要[2]。

a）通過對施工平臺的計算可知，該種鉆孔平臺與棧橋組合結(jié)構(gòu)強度、剛度及穩(wěn)定性均較好，可滿足工程應(yīng)用要求。

b）鉆孔平臺與棧橋結(jié)合，可以很好地提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強了該結(jié)構(gòu)在惡劣自然環(huán)境下的適應(yīng)性。

c）單根鋼管樁下沉就位時受水流沖擊力的影響大，此階段施工時應(yīng)選擇江水潮位較低、水流速度較慢的平潮期進行，這樣有利于鋼管樁的正確定位。

d）通過本文計算可知，鉆孔平臺及棧橋等臨時結(jié)構(gòu)在洪水水流荷載作用下水平位移較大，故這類水上結(jié)構(gòu)采用樁基等固定基礎(chǔ)時，要求基礎(chǔ)必須滿足各常見工況下荷載作用，以確保結(jié)構(gòu)安全可靠。