有限元理論在RCD工法施工平臺中的應(yīng)用

譚凱，焦守增

（中交三航局江蘇分公司，江蘇 連云港 222002）

有限元理論在RCD工法施工平臺中的應(yīng)用

譚凱，焦守增

（中交三航局江蘇分公司，江蘇 連云港 222002）

橋梁樁基礎(chǔ)的施工是海上橋梁建設(shè)的主要難點之一，解決這一難題的關(guān)鍵是海上施工平臺的設(shè)計與施工。本文以海上RCD工法施工平臺為研究對象，采用AUTODESK ROBOT有限元分析軟件，模擬RCD工法施工荷載條件下，施工平臺各結(jié)構(gòu)的強度、剛度及其穩(wěn)定性的變化。理論計算分析結(jié)合現(xiàn)場施工實踐，證實該施工平臺的結(jié)構(gòu)組合形式及其計算方法可以為今后的工程實踐提供參考。

RCD工法；有限元分析；施工平臺；搖樁機

1 工程綜述

新城填海區(qū)A區(qū)至澳門半島之間的連接通道-連接橋建造工程，位于澳門友誼圓形地，新城填海區(qū)A區(qū)北部及其之間的海域。本工程包含3座海上高架橋，高架橋1總跨徑173.98m，高架橋2總跨徑146.1m，高架橋3總跨徑306.44m。除了用作通行航道之主跨度為50米之外，跨度一般在25米及35米之間。三座橋包含水中樁基78根，直徑為1.2m和1.6m兩種。本工程所有海上灌注樁均采用RCD工法施工，需搭設(shè)海上施工平臺作為樁機海上作業(yè)平臺。

圖1 RCD鉆機施工圖

2 RCD工法簡介

針對大直徑樁孔入巖困難的問題，本工程采用國際成熟的大直徑嵌巖樁RCD工法。RCD工法與傳統(tǒng)的錘擊式樁基施工方法相比，具有低噪音、低震動、低污染的特性。本工程在施工海上灌注樁時需要安裝臨時鋼套筒，并使用重型液壓搖管機（OSCILLATOR）將鋼套筒旋磨至巖層，在鋼套筒旋磨過程中，用吊機配合蜆式抓斗抓取鋼套筒內(nèi)的淤泥。達到巖層以后使用RCD（反循環(huán)）鉆機進行嵌巖開挖，RCD鉆機安裝于鋼套筒頂部，通過重型鉆桿驅(qū)動底端大直徑鉆頭鉆進。鉆出的石屑通過氣舉反循環(huán)系統(tǒng)泵送至地面水箱沉淀。

RCD工法采用的搖管機最大拔管力2700kN（豎直方向），最大輸出扭矩4520kN.m，工作時需與BM900履帶吊配合施工。為滿足施工時的荷載要求，海上灌注樁施工平臺的設(shè)計承載力為400噸。

圖2 搖管機工作原理圖

圖3 RCD鉆頭

3 施工平臺結(jié)構(gòu)圖

RCD工法施工平臺的結(jié)構(gòu)形式自下而上依次為：Φ630mm鋼管樁（敞口樁不帶加強箍），每排4根，中心間距為3.1m+1.4m+3.1m；縱梁采用雙拼700mm工字鋼，橫梁采用250mm雙拼工字鋼；面板采用10mm鋼板滿鋪；平臺兩邊以50mm鋼管做護欄，立桿間距2.2m，高0.9m。海上灌注樁施工平臺示意圖如圖4。

圖4 海上灌注樁施工平臺橫斷面圖

4 施工平臺結(jié)構(gòu)驗算

4.1 計算條件

（1）永久荷載：結(jié)構(gòu)自重，鋼材自重：77.01kN/m3。

（2）可變荷載：考慮施工材料（鋼板樁，型鋼等）的堆放：20kPa；施工機械荷載為搖樁機，最大拔管力2700kN（豎直方向），最大輸出扭矩4520kN.m。

（3）水位情況：施工期高水位：1.20m.

（4）主要結(jié)構(gòu)材料：上部面層結(jié)構(gòu)由25A工字鋼及10mm厚鋼面板組成，25A工字鋼材質(zhì)為Q345B,鋼板為Q235；“H”型鋼：HN700×300，材質(zhì)為Q345B；鋼管樁：直徑630mm，樁長33m，壁厚10mm，材質(zhì)為Q345B。

4.2 計算工況及荷載組合

本工程施工平臺各計算項目的工況及組合方法如下：

4.2.1 施工平臺上部結(jié)構(gòu)強度計算

（1）結(jié)構(gòu)自重×1.2+施工均載×1.4

（2）結(jié)構(gòu)自重×1.2+搖樁機工作荷載（垂直向）×1.4

（3）結(jié)構(gòu)自重×1.2+搖樁機工作荷載（水平向）×1.4

4.2.2 施工平臺樁基承載力計算

（1）結(jié)構(gòu)自重×1.0+施工均載×1.0

（2）結(jié)構(gòu)自重×1.0+搖樁機工作荷載（垂直向）×1.0

（3）結(jié)構(gòu)自重×1.0+搖樁機工作荷載（水平向）×1.0

4.2.3 施工平臺上部結(jié)構(gòu)變形驗算

（1）結(jié)構(gòu)自重×1.0+施工均載×1.0

（2）結(jié)構(gòu)自重×1.0+搖樁機工作荷載（垂直向）×1.0

（3）結(jié)構(gòu)自重×1.0+搖樁機工作荷載（水平向）×1.0

4.3 各荷載組合計算結(jié)果

4.3.1施工平臺上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

4.3.2施工平臺樁基計算結(jié)果

表1 施工平臺上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果組合表

表2 樁基計算結(jié)果組合表

4.4 建模驗算

施工平臺的計算采用AUTODESK ROBOT有限元分析軟件計算完成，計算該施工平臺的樁基及上部構(gòu)件受力，樁基的模擬采用假想嵌固點，深度按泥面以下5m計，結(jié)構(gòu)布置及模型計算結(jié)果如圖5。

圖5 海上灌注樁施工平臺模型驗算結(jié)果圖

該施工平臺的驗算結(jié)果匯總見表3、表4。

表3 施工平臺上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果匯總

表4 排架樁基內(nèi)力計算結(jié)果匯總

5 應(yīng)用效果

本工程海上灌注樁采用RCD工法施工，一般7天可成樁，在施工平臺使用過程中需定期進行沉降觀測。施工平臺頂標高+3.30m，本文選取施工平臺四個點進行了定期觀測，觀測頻率為1次/天，觀測結(jié)果統(tǒng)計表如表5。觀測數(shù)據(jù)均小于理論計算的最大變形，且在施工平臺的使用過程中未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞、焊縫開裂等現(xiàn)象。

表5 施工平臺觀測統(tǒng)計表

圖6 海上RCD工法施工平臺圖

6 結(jié)語

通過有限元分析軟件的模擬結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用的實踐效果，證實該海上RCD工法施工平臺的設(shè)計滿足現(xiàn)場施工條件。施工平臺經(jīng)驗收合格交付使用后，需定期對平臺進行沉降觀測。派人對施工平臺進行巡視，及時發(fā)現(xiàn)排除可能存在的危險源。該施工平臺的結(jié)構(gòu)組合形式及其計算方法，可以為今后的工程實踐提供參考。

[1]BS 6349:Code of Practice for Maritime Structures General Criteria；

[2]BS 8004：Code of Practice for Foundations；

[3]《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTS152-2012)。

[4]《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015）；

[5]BS5950-1-2000:Code of practice for design-Rolled and welded sections；

U655.5

A

1006—7973（2017）10-0066-03

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.029