論橋梁建設中浮式平臺水深變化時的動力分析

程鈺龍 萬培

摘要 文章旨在研究橋梁于深水區(qū)域搭建時，傳統(tǒng)的固定施工平臺可能無法滿足施工的要求。從施工平臺的發(fā)展以及運用進行研究，理清固定平臺以及浮式平臺兩方的優(yōu)缺點。另外計算浮式平臺在施工時外力荷載影響下，浮式平臺因此產生的位移偏位，得出對應錨桿伸縮量的計算公式。研究了改變水域水位的情況下，浮式平臺發(fā)生的偏移以及對應方法，得出卷揚機對應收放錨繩的長度，用以及時迅速地回正浮式平臺的偏移，保障施工順利進行。

關鍵詞 浮式平臺;橋梁;錨繩;受力分析

中圖分類號 U445.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0084-04

0 引言

當橋梁設計跨越較深水域時，受防汛、通航等多種條件影響，通常會采取使用大直徑鉆孔灌注樁作為橋梁的樁基礎，同時設立臨時平臺方便施工。在部分特殊情況下，固定平臺無法起到預期的作用，需要使用浮式平臺提供施工條件，該文對浮式施工平臺進行研究。

1 課題意義

1.1 課題提出背景

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，橋梁建設遍布各省各市，淺水區(qū)域的橋梁施工方法隨著各地橋梁的建設基本完善。然而當橋梁跨越深水區(qū)域，插打樁基時會受到外界水流、風力以及航線通航等各個因素影響，對施工造成不少的阻礙。為了減少外界對橋梁施工的影響、保障橋梁施工的正常進行，一般會搭設臨時的施工平臺來保障施工條件，確保能在工期內完成施工。

施工平臺可以分為兩類：固定施工平臺和浮式施工平臺。固定施工平臺通常以插打入巖的鋼管樁作為基礎，在其上組裝上部結構形成一個可供施工的平臺，固定施工平臺技術要求較低，在國內應用較廣。浮式平臺則與之相差較大，放棄了用插打入巖的鋼管樁作為基礎，轉而使用錨泊船或浮箱作為底座，在其上布置施工設備，組成漂浮于水面的施工平臺。

固定平臺技術在我國已發(fā)展成熟且廣泛運用于各個項目，但在實際運用上，它與浮式平臺也是各有優(yōu)劣。固定平臺有著較為繁瑣的搭設工序，需要完成定位樁的插打穩(wěn)定，而后進行施工，同樣拆除時也需要較長時間來一一拆卸固定平臺的各個組成部分，增加了施工的時間。除此之外，在較深水域，定位樁樁長增加必定增加工程費用消耗，而在確保橋梁工程質量的情況下，也需要兼顧施工時間與費用問題。

不同于固定平臺需要插打鋼管樁、組裝平臺上部，浮式平臺的搭設工序則要簡單許多，也有獨有的優(yōu)點。浮式平臺無需定位樁固定位置，搭設更為便利，可利用浮體直接在施工區(qū)域進行搭設;浮體多使用錨泊船或是浮箱，可循環(huán)重復利用;在提供了足夠約束力時，浮式平臺即使受到水流力或是水位變化時，也可以提供完善的施工條件，保障施工進度不受影響。當然，浮式平臺也存在不少缺點，主要為以下幾點：需要占據(jù)較大的水域進行作業(yè)，可能影響航線通航;浮式平臺穩(wěn)定性不恒定，水流速度變化的同時浮式平臺的穩(wěn)定性也會發(fā)生改變;受到多個外界荷載的作用力和平臺上插打定位樁的作用力，浮式平臺會發(fā)生搖擺，可能導致影響樁基定位的準確性。

隨著更多未施工深水水域的開發(fā)，橋梁施工建設技術需求也逐漸提升，隨之也產生了固定平臺難以解決的問題，而能夠適應水位變化和水深變化的浮式平臺在深水區(qū)域作為施工平臺就有著很大的優(yōu)點。但如何讓浮式平臺能在風浪荷載以及施工時鉆機的作用力下，能夠保持平臺的穩(wěn)定性，以及受其他各項因素影響下浮式平臺偏位后如何快速準確返回平衡位置，這些都需要進行進一步的分析計算。浮式施工平臺由浮橋和海洋鉆井平臺發(fā)展而來，繼承了它們的特點，但在細節(jié)上進行了改進與創(chuàng)新。研究如何使用浮式平臺作為施工平臺時，更應該從保障橋梁施工的穩(wěn)定性與安全性入手，分析浮式平臺工作時的受力以及如何對應調整。

1.2 施工平臺的分類

施工平臺是為保障深水樁基礎施工不受外界因素影響，為其提供用以作業(yè)的施工場所，平臺的類型、結構特點需要根據(jù)施工現(xiàn)場的外界條件（水文、地質、氣象等）以及施工要求來確定。現(xiàn)場施工條件各有不同導致形形色色的施工平臺類型產生，但在總體上來說，深水樁基施工平臺通常分為固定施工平臺和浮式施工平臺。我國國內部分深水樁基固定施工平臺實例見表1。

1.3 主要研究內容

該文以肇明高速楊梅西江特大橋為研究背景，針對通航數(shù)量較多、一年內枯水洪水期水流量、水位變化大的情況，必須搭設浮式平臺利于水中墩施工。對浮式平臺在外界因素變化的情況下作出深入分析，主要研究方向如下：

（1）分析了固定平臺以及浮式平臺各自的優(yōu)劣，分析了國內深水樁基礎平臺的實例。

（2）以肇慶肇明高速楊梅西江特大橋搭設的浮式平臺作為例子，對浮式施工平臺在水文條件變化的情況下進行受力分析，計算出錨定系統(tǒng)受影響下如何做出調整。

2 浮式平臺受力分析

2.1 工程概況

浮式平臺由2艘（50×11.5）m貨船和雙層12排貝雷梁拼接而成，拼接后平臺平面尺寸為（50×40）m，浮式平臺承受豎向荷載228 t。浮式平臺上游設置定位錨2個（0.9 t），通過錨的系留力實現(xiàn)船的固定，并通過調節(jié)錨鏈鋼絲繩來適應水位的變化。

2.2 錨繩懸垂線方程推導及受力分析

2.2.1 單獨錨繩張力計算

浮式平臺錨繩連接著浮體錨定于河床O點懸垂于水中，因此使用懸垂線的形式來進行受力分析，同時利用懸垂線方程計算錨繩受力情況。浮式平臺是依靠錨碇系統(tǒng)的錨繩與錨碇來進行固定的，因此，假定錨碇始終處于固定狀態(tài)沒有起錨角，對此狀態(tài)下錨繩的極限受力狀態(tài)進行計算分析[2]。

如圖1所示，設浮式平臺水域水深H，O點與浮體之間用錨繩連接，水流力對浮箱作用力大小為F。假設錨泊線始終位于一個空間平面內，不考慮其變形：錨繩的懸垂長度為L，錨繩在水中的線密度設為W，錨繩的張拉力為Ts，坐標原點取在錨繩與水底的切點O處。

計算出的公式可以得出：錨繩所受作用力為錨繩自身質量以及浮體所受水平力的總和。利用上述推導所得出的方程，在傾角φ、錨繩線單位長度重量W、水流力（水平荷載）F、錨繩長度L、錨泊線上端張力Ts、施工區(qū)域水深H和錨繩兩端水平距離S這7個變量中只要已知其中任意3個變量的值，即可得出其余4個變量。

2.2.2 兩根錨繩形式錨繩的張力計算

假設在水平底面，一側錨繩所在區(qū)域水深為H1，另一側錨繩所在區(qū)域水深為H2，這兩根錨繩分別在水底固定于在O1點與O2點，浮箱受到的水平水流力為F。假設錨泊線始終位于一個空間平面內，不考慮其變形;錨繩的懸垂長度為L1與L2，錨繩在水中的線密度設為W，錨繩的張拉力為T與T2，坐標原點取在錨繩與水底的切點O2處，浮體的重力為G，所產生的浮力為f，示意如圖4所示。

對整個浮體進行受力分析如圖5所示，得到：

2.3 浮式平臺錨碇系統(tǒng)移位糾偏公式推導

2.3.1 單錨繩錨碇系統(tǒng)的糾偏計算

錨繩、錨碇和卷揚機組成了浮式平臺的移位系統(tǒng)。施工時，會產生對應的施工荷載，還有風力以及水流力等外界荷載，會作用于浮式平臺上，影響浮式平臺的穩(wěn)定性，導致浮式平臺發(fā)生偏移，偏離初始的平衡位置。因此浮式平臺需要調整位置，使自身重新回到平衡位置。浮式平臺的調整就是靠卷揚機收放錨繩的長度使其回到初始平衡位置，因此，浮式平臺的糾偏就是通過其偏位求出錨繩的收放量，從而達到糾偏的目的[3]。

如圖6所示，對單錨繩設錨碇系統(tǒng)進行受力分析。浮式平臺在受到的水平力為F，錨繩初始長度為L0，發(fā)生偏移后的長度為L1，錨繩的線密度為W，錨繩初始水平距離為S0，發(fā)生偏移后的水平距離為S1，施工區(qū)域水深為H。

以上方程表明，浮體在受到F水平作用力時，可由上式計算出發(fā)生的最大水平位移為ΔS，繼而可由水平位移計算出浮式平臺回到初始平衡位置需要錨繩應該收放的長度ΔL。

3 結論

（1）使用單根錨繩時，可使用以下4個方程

、、、，只要已知7個變量中任意3個變量的值，即可得出其余4個變量。

（2）使用兩根錨繩時可用以下方程求解。

（30）

（31）

（3）浮體發(fā)生偏移時，可由浮式平臺所受水流力大小計算出平臺的最大水平位移S，接著由平臺最大水平位移算出浮式平臺回到初始平衡位置錨繩收放長度ΔL。

（32）

（33）

參考文獻

[1]唐世江.橋梁施工浮式平臺的靜動力分析[D].湖南：湘潭大學，2014.

[2]高瑞宏.深水樁基礎施工平臺專用鋼浮箱設計理論與方法及其工程應用[D].湖南：湘潭大學，2013.

[3]林辰.浮式施工鉆孔平臺的特性及穩(wěn)定性分析[D].湖南：湖南科技大學，2018.