采用Midas Civil軟件分析鉆孔平臺穩定性

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模不斷擴大，碼頭平臺設計尺寸越來越大。項目管理逐漸向精細、標準、規范轉變。鉆孔平臺搭設完成后，需要考慮穩定性，常規采用壓載或手算等方法進行簡單核定。工程是不可復制的，不同的荷載對平臺的功能要求不同，采用這種方式，施工安全風險增大，容易發生坍塌等安全事故，故采用軟件分析結構穩定性應運而生。

1 Midas Civil軟件使用現狀和推廣前景

MIDAS Civil針對土木結構，特別是復雜的平臺結構形式，同時可以做非線性邊界分析、材料非線性分析。能夠迅速、準確地完成類似結構的分析和設計。它的幾何建模和網格劃分技術采用了在土木領域中已經被廣泛應用的前后處理軟件Midas FX+的核心技術，同時融入了MIDAS強大的線性、非線性分析內核，是一款專門適用于土木領域的高端非線性分析和細部分析軟件[1]。

2 設計思路

2.1 穩定性驗算需要考慮的問題

1)材料的選型。優化材料結構，使各種材料滿足最佳受力狀態。

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

3)同樣需要考慮水流荷載、風荷載等其他不明荷載。

4)設計的目的是施工，基礎的承載力同樣是驗算需要考慮的，可為后期實施提供更大的安全系數。

2.2 鉆孔平臺設計思路

碼頭鉆孔平臺采用鋼護筒作為平臺基礎，上部采用型鋼搭設而成，結構從上至下依次為：5 mm鋼板網、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，根據鋼護筒的樁位不同而略有變化。施工平臺后沿設置安全通道，安全通道區從上至下依次為：欄桿、鋼板網、[10槽鋼、I14a型鋼。前沿設置安全欄桿，依次為[10槽鋼、腳手管。鉆孔平臺總體結構布置見圖1。

圖1 鉆孔平臺總體結構布置

3 穩定性驗算

3.1 材料特性

Q235B鋼材的物理力學特性[2]為：拉、壓、彎強度設計值215 MPa，彈性模量206 GPa，剪切強度設計值fy=125 MPa，τ容=95 MPa，剪切模量79 GPa。

3.2 計算荷載

1)恒載[3]。結構自重，計算不利荷載為基礎，下橫梁澆筑時，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。臨時堆載5 kPa，人員荷載1 kPa。

3)施工荷載。所有區域均為2.5 kPa。

4)模板荷載。按2.0 kPa考慮。

5)鉆機荷載。鉆機機體120 kN；落錘60 kN；假設鉆機機體和落錘構成一個整體，總質量18 t，取動力系數1.1，總荷載取為198 kN。鉆機作用在3根縱梁上，縱向間距為4 m。單個支點荷載取為33 kN。

6)水流力。水流力按《港口工程荷載規范》[4]計算：

Fw=Cwρv2A2

(1)

式中：Fw為水流力標準值(kN)；Cw為水流阻力系數；ρ為水密度，取1.0 tm3；v為水流設計速度(ms)；A為構件與流向垂直面上的投影面積(m2)。

φ1 600×14鋼管樁水流力標準值：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。

作用點高程39 m，水流力標準取值見表1。

表1 水流力標準取值

注：施工期高水位44.0 m，流速v=2.5 ms。

φ1 200×14的平聯水流力標準值為Fw=2.74 kN。

7)風荷載。湖北荊州，查表風速取v=22.2 ms，按《港口工程荷載規范》計算：

(2)

式中：Wk為風荷載標準值(kPa)；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；v為港口附近的空曠地面，離地10 m高、重現期50 a的10 min平均最大風速(ms)。計算得Wk=0.25 kPa。

3.3 鉆孔平臺穩定計算

鋼護筒入土段采用m法建立彈簧單元，采用節點彈性支撐，覆蓋層m值取10 000，巖石層m值取20 000。鋼護筒與橫撐固結，牛腿與橫梁固結，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，整體變形采用標準組合，其余采用基本組合。基本組合：1.2×(自重+堆載)+1.4×(施工荷載+鉆機荷載+水流力+風荷載)。

標準組合：1.0×(自重+堆載)+1.0×(施工荷載+鉆機荷載+水流力+風荷載)。

計算結果見表2。

表2 鉆孔平臺計算結果

各構件強度滿足要求。查鉆孔平臺有限元模型得順水流方向變形為17 mm，滿足剛度要求。I36a型鋼豎向變形為17 mm，滿足剛度要求。各軸壓構件的應力水平偏低，穩定性滿足要求。

3.4 下橫梁支架穩定計算

樁基入土段采用m法建立彈簧單元，采用節點彈性支撐，覆蓋層m值取10 000，巖石層m值取20 000。鋼護筒與橫撐固結，牛腿與橫梁固結，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，整體變形采用標準組合，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+風荷載)。標準組合：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+風荷載)。

計算結果見表3，由于灌注樁已經成孔，這里不列出鋼護筒、平聯的受力結果。

表3 下橫梁施工支撐計算結果

各構件強度滿足要求。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、鋼護筒三者之間有效焊接，焊高10 mm。牛腿結構大樣見圖4。

圖4 牛腿結構大樣(單位：mm)

計算可得知：牛腿翼板、腹板局部應力188 MPa<極限應力215 MPa，滿足強度要求，驗算結果見圖5。

圖5 牛腿結構應力云圖

4 結語

1)通過Midas Civil軟件的穩定性設計驗算，表明平臺結構穩定、安全可靠、提質增效。

2)應用工程軟件對鉆孔平臺在不同工況下的穩定性進行詳細核算。通過軟件的全程數據支撐，打破了工程領域傳統依靠經驗和理論公式計算的弊端。

3)從計算結果看來，Midas Civil對材料選型分析、鉆孔平臺功能布置、多種荷載疊加計算、工程的實施等方面有獨特的設計功能，可為類似工程提供參考。