大跨度橋梁深水鉆孔平臺分析

李俊松

(四川智通路橋工程技術(shù)有限責任公司，四川成都 61000)

1 概述

渠江特大橋位于廣安市岳池縣中和鎮(zhèn)與羅渡鎮(zhèn)之間，是巴中至廣安高速公路跨越渠江的一座特大橋。其主橋跨徑組成85 m+160 m+85 m連續(xù)剛構(gòu)橋。其中4#、5#主墩在水中，水中樁基共24根，平均水深約17.5 m。該橋河床底為砂巖，考慮施工工期、鋼管打插難易程度等因素，樁基礎(chǔ)施工采用鋼護筒支撐鉆孔平臺的施工方案。采用振動錘輔助鋼護筒下沉至巖層，并在河床底部下放矮沉箱、澆筑板筏，再對鋼護筒進行整體連接并在其上搭設鉆孔平臺(圖1)。

2 鉆孔平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)造

鉆孔平臺由鋼護筒、縱橫平聯(lián)系、斜撐等部分組成。鋼護筒為鉆孔平臺的主要受力結(jié)構(gòu)。鋼護筒設計直徑應比鉆孔灌注樁的直徑大20～30 cm?？v橫向聯(lián)系包括鋼管樁間的聯(lián)系、護筒間的聯(lián)系以及鋼管樁與護筒間的聯(lián)系。橫向聯(lián)系起著保證鉆孔平臺橫向穩(wěn)定性。本橋樁基直徑為2 500 mm。施工平臺采用樁基φ2 700×22 mm鋼管樁，鋼護筒分為頂端段、標準段、刃腳段分別進行加工。采用2[32B槽鋼作橫縱平聯(lián)連接所有鋼護筒，再用[16作斜撐,然后在鋼護筒的牛腿上布設鉆孔平臺(圖2、圖3)。

圖2 鉆孔平臺平面尺寸

圖3 鉆孔平臺剖面尺寸(橫橋向)

3 鉆孔平臺施工工藝要點

(1)每根護筒安裝順序：刃腳段護筒吊運—各標準段護筒吊運及拼裝—頂端段護筒吊運及拼裝—護筒拼裝完成后整體下放—護筒位置調(diào)整及鎖定—進入護筒橫撐及牛腿焊接。

(2)護筒的導向架：護筒下放時的導向通過在操作平臺上的I45B工字鋼進行確定。限位上橫桿采用I25B工字鋼，設置于操作平臺主梁頂面。

(3)鋼護筒在定位完成后需進行振動下沉。采用VM4500型振動錘，其最大激振力為870 kN，機身重量12 t。在鋼護筒位置確定后，在護筒頂安裝夾具及振動錘，夾緊護筒后，放松吊點開始振動。

(4)鋼護筒橫向平聯(lián)設計為2[32B槽鋼，兩端均焊接于同一橫軸線上的相鄰縱牛腿中肋板上，兩槽鋼背向設置，以便焊接。

(5)鋼護筒聯(lián)接系統(tǒng)施工完畢、鋼沉箱下放后依次進行平臺縱向主梁、橫向主梁、分配梁的安裝，縱、橫向主梁均為I45B工字鋼，分配梁為I25B工字鋼，均由運輸船運輸?shù)轿?，使用龍門吊進行安裝。

(6)給橫向主梁安裝到位后，在鋼平臺四角拉設下拉纜，下拉纜的錨碇同導向船錨碇，錨繩同邊錨錨繩。拉纜收錨采用5 t手拉葫蘆。

4 鉆孔平臺有限元模型建立及結(jié)果分析

4.1 整體模型

根據(jù)平臺尺寸,采用有限元計算軟件Midas Civil建立的鉆孔平臺有限元模型如圖4所示。

圖4 鉆孔平臺有限元計算模型

鋼護筒直徑2.7 m，采用厚度為22 mm鋼板卷制而成，加強箍厚度為12 mm,與鋼護筒焊接在一起，護筒間縱橫連接系采用2根型號32B槽鋼，護筒間斜撐采用2根型號16A槽鋼，平臺分配梁采用I25B工字鋼，平臺縱、橫梁采用I45B工字鋼，并與護筒上的牛腿支架連接在一起。

4.2 約束及邊界條件

實際工程中鉆孔平臺各鋼構(gòu)件之間均采用焊接，故在建立Midas有限元模型時將這些構(gòu)件間的連接均處理為剛性連接，包括鋼管粧和橫梁間的連接、橫梁和縱向分配梁間的連接、托架連接以及鋼管樁之間的連接等。

平臺結(jié)構(gòu)中的鋼管樁、鋼護筒和河床地基土之間的相互作用很復雜，考慮到本工程主要分析的是平臺上部結(jié)構(gòu)的力學性能，故此處采用假想嵌固點的方法，在河床泥底面以下一定深度處認為平臺粧完全嵌固，在Midas有限元模型中將鋼護筒底部的邊界條件設置為固接。

4.3 鉆孔平臺靜力

(1)垂直荷載

計算荷載主要包括平臺各構(gòu)件自重和鉆孔機荷載，擬選用正循環(huán)沖擊鉆機，每臺鉆機占用面積約15 m2中，鉆孔支架重10 t，沖錘重約8 t?？紤]鉆機中心距樁中心距離3.5 m

(2)動力壓力

承重鋼管最大吃水深度為315 mm，按下式計算吊箱所受的水流沖擊力：

F=K(γV2/2g)A(kN)

(3)風荷載

鋼管露出水面高度按400 mm計,橋面系折算高度按100 mm計。

Fwh=k0k1k3WdAwh

考慮最不利荷載作用：來流水壓力、風荷載、自重以及平臺上鉆機重。

4.4 鉆孔平臺靜力分析

(1)鋼護筒應力結(jié)果

鋼護筒應力結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋼護筒正應力

從上圖可以看出，鋼護筒斜撐的最大的最大值發(fā)生在下游側(cè)最后一排鋼護筒底端處，最大值38.09 MPa<215 MPa；鋼護筒軸應力均較小，應力值均滿足要求。

(2)縱向分配梁的應力結(jié)果

從圖6中可看出平臺分配梁最大正應力36.35 MPa<215 MPa，從圖7可看出最大剪應力6.6 MPa<125 MPa，故平臺縱向分配梁的正應力和剪應力均滿足要求。

圖6 縱向分配梁的正應力

圖7 縱向分配梁的剪應力

(3)鋼護筒斜撐應力結(jié)果

從圖8可以看出，鋼護筒斜撐的最大正應力值73.58 MPa<215 MPa；最大軸應力值64.59 MPa<190 MPa從分析可知鋼護筒斜撐的應力分布主要受水平方向作用力影響較大，依據(jù)計算結(jié)果可知構(gòu)件應力值均滿足要求。

圖8 縱向分配梁的剪應力

(4)鋼護筒變形結(jié)果

鋼護筒的變形如圖9所示，從圖中可知其最大變形為管徑方向的9.59 mm，而已知鋼護筒的厚度為22 mm，該最大變形不超過鋼護筒壁厚，可知，其對鋼護筒形狀影響很小，可以忽略不計，故滿足使用要求。

圖9 鋼護筒變形

5 鉆孔平臺有穩(wěn)定性分析

本文運用大型有限元分析軟件MIDAS計算了多種荷載工況下不同模式的施工平臺的穩(wěn)定系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)。最后選取兩種最不利工況下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行分析，即：考慮最不利荷載作用：來流水壓力、風荷載、自重以及平臺上鉆機重，分類兩種荷載工況進行分析。荷載工況一：上述最不得荷載組合，其中鉆機位于上河流上游側(cè)；荷載工況二：上述最不得荷載組合，其中鉆機位于河流下游側(cè)。

(1)鉆孔平臺穩(wěn)定性分析結(jié)果

鉆孔平臺第一階失穩(wěn)模態(tài)分別如圖10、圖11所示。

圖10 第一階失穩(wěn)模態(tài)(工況一)

圖11 第一階失穩(wěn)模態(tài)(工況二)

從以上失穩(wěn)模態(tài)分析可知，鋼護筒平臺結(jié)構(gòu)體系的第一階失穩(wěn)系數(shù)為4.18，與結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性較好，由圖中可知前五階失穩(wěn)主要均是發(fā)生護筒間的橫向連接系構(gòu)件失穩(wěn)，說明此連接系相對平臺整體的剛度相對較弱，這與前述的平臺靜力分析與動力特性分析結(jié)果較吻合。兩種荷載工況下平臺結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)相同，失穩(wěn)系數(shù)差異不大，說明了平臺上鉆機作用位置對平臺失穩(wěn)影響不太明顯。

(2)鋼絲繩+地錨對平臺穩(wěn)定性的影響

為了進一步分析增加鋼絲繩+地錨對平臺穩(wěn)定性的影響，分別分析對應工況下增加鋼絲繩+地錨后平臺結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)，兩種最不利工況下的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)圖如圖12、圖13所示。

圖12 第一階失穩(wěn)模態(tài)(工況一)

圖13 第一階失穩(wěn)模態(tài)(工況二)

從增加鋼絲繩+地錨后平臺失穩(wěn)模態(tài)分析可知，鋼護筒平臺結(jié)構(gòu)體系的第一階失穩(wěn)系數(shù)為4.7，較原來平臺系統(tǒng)有明顯提高，說明增加鋼絲繩+地錨可以在一定程度上提高平臺的穩(wěn)定性。由圖中可知前五階失穩(wěn)仍然主要均是發(fā)生護筒間的橫向連接系構(gòu)件失穩(wěn)，說明此連接系相對平臺整體的剛度相對較弱，這與前述的平臺靜力分析與動力特性分析結(jié)果較吻合。兩種荷載工況下平臺結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)相同，失穩(wěn)系數(shù)差異不大，說明了平臺上鉆機作用位置對平臺失穩(wěn)影響不太明顯。

6 結(jié)論

根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)的實際構(gòu)件以及連接方式，利用MIDAS軟件對鋼護筒平臺建立有限元模型，并進行多種荷載工況下的靜力分析，動力分析以及穩(wěn)定性分析可知：

(1)簡單介紹了大跨度橋梁深水樁基礎(chǔ)施工樁孔平臺的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和施工工藝要點。

(2)通過有限元計算得到鉆孔平臺各構(gòu)件的靜力分析結(jié)果，計算結(jié)果表明，該平臺結(jié)構(gòu)在采用指定沖擊鉆進行施工時，平臺的各構(gòu)件承載能力可以滿足要求，平臺的變形在允許范圍之內(nèi)，平臺結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備。

(3)通過對鉆孔平臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析可知，體系的第一階失穩(wěn)系數(shù)為4.18，與結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性較好，前五階失穩(wěn)主要均是發(fā)生護筒間的橫向連接系構(gòu)件失穩(wěn)，說明此連接系相對平臺整體的剛度相對較弱，從增加鋼絲繩+地錨后平 臺失穩(wěn)模態(tài)分析可知，鋼護筒平臺結(jié)構(gòu)體系的第一階失穩(wěn)系數(shù)為4.7，較原來平臺系統(tǒng)有明顯提高，說明增加鋼絲繩+地錨可以在一定程度上提高平臺的穩(wěn)定性。