整體裝配式灌注樁施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張連江，徐波，孫建波

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

港珠澳大橋橋梁工程深水區(qū)CB03合同段中非通航孔橋共計(jì)68個(gè)橋墩，其中，等寬段共55個(gè)墩臺(tái)，每個(gè)墩臺(tái)基礎(chǔ)采用6根直徑為2.0 m的鋼管樁和直徑為1.75m的灌注樁組成的鋼管復(fù)合樁；變寬段共13個(gè)墩臺(tái)，每個(gè)墩臺(tái)基礎(chǔ)采用6根直徑為2.2 m的鋼管樁和直徑為1.95 m的灌注樁組成的鋼管復(fù)合樁[1]。

本工程工程量大，質(zhì)量要求高，工期緊，施工地點(diǎn)處于外海，遠(yuǎn)離陸地。以往工程中采用的臨時(shí)引橋以及海上拆裝式平臺(tái)工藝都滿(mǎn)足不了本工程的要求。采用可整體吊裝周轉(zhuǎn)使用的灌注樁施工平臺(tái)，不僅減少了海上施工工序，提高了施工效率，還減少了輔助材料的投入，節(jié)約了成本，其工藝關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平面布局和安裝方法。

2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體平面布局

為了使平臺(tái)滿(mǎn)足灌注樁施工生產(chǎn)以及人員的生活住宿等條件要求，合理利用有限的空間，將平臺(tái)上的設(shè)施按“回”字形布置（如圖1所示）。平臺(tái)中部為灌注樁的主要施工區(qū)域，平臺(tái)外圍為生產(chǎn)輔助區(qū)及生活區(qū)，其中，生產(chǎn)輔助區(qū)左側(cè)布置有倉(cāng)庫(kù)、淡水箱、油罐等；上側(cè)為動(dòng)力供應(yīng)區(qū)，布置有發(fā)電機(jī)和空壓機(jī)；右側(cè)為過(guò)濾設(shè)施安放區(qū)，布置有泥漿桶和泥漿凈化器等。平臺(tái)下側(cè)為生活區(qū)，布置有辦公室、廚房、宿舍、廁所等。

圖1 平臺(tái)設(shè)施總體平面圖Fig.1 Overallplan of the platform facilities

油罐與發(fā)電機(jī)、明火區(qū)域保持必要的安全距離；淡水箱與造漿材料倉(cāng)庫(kù)并排擺放，方便工程造漿；人員上下平臺(tái)的梯子布置在生活區(qū)附近，避免人員上下穿過(guò)施工區(qū)域。

2.2 平臺(tái)主要構(gòu)造

根據(jù)施工期各種荷載的最不利組合情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)滿(mǎn)足直徑2.0m樁和2.2m樁以及不同樁間距的使用要求。

整體裝配式主體結(jié)構(gòu)由空間桁架組成，平臺(tái)平面尺寸為32 m×19.2 m，高4.4 m。桁架底層采用35 cm×24 cm箱型截面主梁和雙拼 [28a槽鋼主梁，與樁基鋼抱箍相接觸區(qū)域因剪力最大，采用35 cm×30 cm箱型截面主梁，桁架頂層采用雙拼 [25a槽鋼主梁，豎桿采用雙拼 [20a槽鋼，斜桿采用雙拼 [16槽鋼焊接而成，如圖2所示[2]。

圖2 平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The platform girder structure

2.3 鋼抱箍結(jié)構(gòu)

通過(guò)在6根鋼管樁上安裝鋼抱箍形成平臺(tái)的豎向支撐體系，平臺(tái)安裝到位后，采用千斤頂對(duì)稱(chēng)頂緊鋼管樁樁身，以防在鉆孔過(guò)程中平臺(tái)晃動(dòng)。

鋼抱箍由兩塊鋼板彎成略小于樁徑的半圓箍拼裝而成，連接處預(yù)留4～5 cm間隙，采用兩排高強(qiáng)度螺栓連接。與連接處呈90°方向?qū)ΨQ(chēng)布置2個(gè)箱型牛腿，作為整體式平臺(tái)的承力結(jié)構(gòu)。

鋼抱箍有兩種尺寸規(guī)格，分別適應(yīng)2.0 m樁和2.2m樁。

2.4 輔助設(shè)施

平臺(tái)的輔助設(shè)施主要包括靠船樁及人員上下通道。

為避免施工船舶直接靠泊平臺(tái)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及灌注樁成孔質(zhì)量造成影響，在平臺(tái)的東西兩側(cè)各布置7根φ630mm直徑的鋼管樁作為靠船樁，樁長(zhǎng)36m，頂標(biāo)高+6.0m。樁壁靠船的一側(cè)布置橡膠護(hù)舷，護(hù)舷中心標(biāo)高+2.0 m。靠船樁采用電動(dòng)振動(dòng)錘振沉，待整體式平臺(tái)拆除后，再使用電動(dòng)振動(dòng)錘整體拔出，周轉(zhuǎn)使用。

人員上下通道布置在平臺(tái)東西兩側(cè)靠近生活區(qū)的一端，位于兩根靠船樁中間，便于交通船靠泊后人員上下。

3 整體裝配式施工平臺(tái)強(qiáng)度校核

3.1 使用工況及荷載組合說(shuō)明

施工平臺(tái)計(jì)算時(shí)分以下兩種工況。

1）工況A：整體起吊安裝

在平潮時(shí)，浮吊通過(guò)專(zhuān)用吊具連接平臺(tái)頂部的4個(gè)吊耳，將施工平臺(tái)整體吊起（圖3），并移至已打設(shè)完畢的鋼管樁正上方，浮吊緩慢落鉤，使平臺(tái)的6個(gè)預(yù)留孔套入鋼管樁，直至施工平臺(tái)落至鋼抱箍上。平臺(tái)與鋼抱箍之間焊接連接鋼板，以增強(qiáng)平臺(tái)的穩(wěn)定性及抗臺(tái)風(fēng)能力。

2）工況B：施工平臺(tái)滿(mǎn)負(fù)載作業(yè)

圖3 平臺(tái)吊裝示意圖Fig.3 The platform hoisting schematic draw ing

平臺(tái)安裝到位后，按照平面布置圖布置全部生產(chǎn)、生活設(shè)施，設(shè)施容器內(nèi)按滿(mǎn)載考慮，并同時(shí)布置2臺(tái)套灌注樁施工鉆機(jī)和配套設(shè)備，此時(shí)，為施工平臺(tái)的滿(mǎn)負(fù)載使用工況。

工況A和工況B條件下的荷載值及分布情況詳見(jiàn)表1。

3.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

3.2.1 許用應(yīng)力設(shè)置

平臺(tái)主桁架采用Q235型鋼焊接，δ=235MPa，取安全系數(shù)n=1.5， [δ]=δ/n，則平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力 [δ]=156MPa。

擱置箱梁材料為Q345，δ=345 MPa，取安全系數(shù)：n=1.5， [δ]=δ/n，則擱置箱梁結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力[δ]=230MPa。

依據(jù)以上參數(shù)，按照平臺(tái)的設(shè)計(jì)尺寸采用ANSYS軟件[3]三維梁?jiǎn)卧?，進(jìn)行兩種工況條件下的強(qiáng)度分析和校核。

3.2.2 工況A條件下的計(jì)算結(jié)果

整體應(yīng)力：上層最大應(yīng)力發(fā)生在鉆機(jī)擺放處，最大應(yīng)力為132 MPa。中層最大應(yīng)力發(fā)生在吊耳設(shè)置處，最大應(yīng)力為155 MPa。底層最大應(yīng)力發(fā)生在吊耳設(shè)置處，最大應(yīng)力為133 MPa。

表1 施工平臺(tái)荷載列表Table1 The loading listof construction platform

吊裝時(shí)最大變形發(fā)生在泥漿罐擺放處，最大變形量DMX=22mm。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)在工況A荷載條件下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全，整體剛度良好。

吊點(diǎn)受力為：吊點(diǎn)A＝吊點(diǎn)C＝190 t，吊點(diǎn)B＝吊點(diǎn) D＝133 t，合計(jì) 646 t。

因平臺(tái)左右兩側(cè)受力值不同，吊裝索具需單根布置，單根索具按照190 t荷載配置，確保平臺(tái)吊裝平穩(wěn)、安全。

3.2.3 工況B條件下的計(jì)算結(jié)果

整體應(yīng)力：上層最大應(yīng)力發(fā)生在鉆機(jī)擺放處，為91 MPa。中層最大應(yīng)力發(fā)生在鉆機(jī)擺放處的下部支撐斜桿，折減后最大應(yīng)力為155 MPa。底層最大應(yīng)力發(fā)生在擱置梁處，由于梁?jiǎn)卧吔鐥l件設(shè)置限制導(dǎo)致有局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為224 MPa。

整體相對(duì)變形為SMX-SMN=3.295mm。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)在工況B荷載條件下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全，整體剛度良好。

3.3 抗臺(tái)風(fēng)能力復(fù)核

臺(tái)風(fēng)期，通過(guò)將平臺(tái)與鋼管樁焊接、平臺(tái)頂部附屬設(shè)施與平臺(tái)骨架牢固焊接等加固方式，使平臺(tái)及附屬設(shè)施與樁基礎(chǔ)形成整體，以此檢核平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)期的穩(wěn)定性。

3.3.1 參數(shù)設(shè)置

施工平臺(tái)縱方向迎風(fēng)面積A1=40 m2，橫方向迎風(fēng)面積A2=70 m2，按照14～15級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)驗(yàn)算，風(fēng)速取V=51 m/s。

按CCS《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》2007版計(jì)算風(fēng)載荷，由風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)壓q計(jì)算得：q=0.613V2=1 594 Pa。

3.3.2 橫向平臺(tái)風(fēng)載計(jì)算

平臺(tái)上部建筑物風(fēng)載：Fh1=CqA=1.1×1 594×70=122.8 kN

平臺(tái)桁架風(fēng)載：Fh2=CqA=1.95×1 594×41.5×[（1-0.96）/（1-0.9）]=60.5 kN 3.3.3 縱向平臺(tái)風(fēng)載計(jì)算

平臺(tái)上部建筑物風(fēng)載：Fz1=1.1×1 594×40=70.2 kN

平臺(tái)桁架風(fēng)載：Fz2=1.95×1 594×19.8×[（1-0.98）/（1-0.9）]=35.1 kN

通過(guò)計(jì)算平臺(tái)整體應(yīng)力可以得出，當(dāng)14～15級(jí)臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，施工平臺(tái)桁架主體結(jié)構(gòu)是安全可靠的。

4 結(jié)語(yǔ)

整體裝配式灌注樁施工平臺(tái)的成功應(yīng)用，使施工平臺(tái)周轉(zhuǎn)更加便捷，大大縮短了海上作業(yè)時(shí)間，減少了船機(jī)設(shè)備的占用。在本工程68個(gè)獨(dú)立墩臺(tái)的平臺(tái)周轉(zhuǎn)施工期間，經(jīng)歷了數(shù)次臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)，驗(yàn)證了整體裝配式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，可為外海橋梁工程樁基施工平臺(tái)提供借鑒。

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司聯(lián)合體.港珠澳大橋主體工程橋梁DB01標(biāo)段施工圖設(shè)計(jì)[R].2012.The Consortium of CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing design for DB01 section of themain bridge of theHongkong-Zhuhai-Macao Bridgeproject[R].2012.

[2]中交一航局二公局聯(lián)合體.港珠澳大橋主體工程橋梁工程CB03標(biāo)段施工組織設(shè)計(jì)[R].2012.The Consortium of No.2 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.Construction organization design for CB03 section of themain bridge of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project[R].2012.

[3] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.WANG Xin-min.Numerical analysis on engineering structure by ANSYS[M].Beijing：ChinaCommunications Press,2007.