復(fù)雜山區(qū)深水樁基沖孔平臺(tái)設(shè)計(jì)及有限元分析

摘 要：以瀘定至石棉高速公路的橋梁工程為依托，利用Midas/Civil軟件按照移動(dòng)荷載、沖擊荷載綜合分析法對(duì)樁基沖孔平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析。通過介紹建模過程，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)在樁基沖擊鉆作用以及履帶吊吊裝施工下的剛度、強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性以及自振情況進(jìn)行分析，得出平臺(tái)在實(shí)際使用過程中會(huì)發(fā)生的不利工況，采用有限元模型模擬吊車在移動(dòng)過程中的最不利工況，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；樁基施工；水中平臺(tái)；結(jié)構(gòu)分析；Midas

中圖分類號(hào)：U442 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0126-04

Abstract： Based on the bridge project of the Luding-Shimian Expressway， Midas/Civil software was used to design and analyze the pile foundation punching platform using the comprehensive analysis method of moving load and impact load. By introducing the modeling process， this paper analyzes the stiffness， strength， overall stability， and natural vibration of the platform structure under pile foundation impact drilling and crawler crane lifting construction. The adverse working conditions that may occur during the actual use of the platform are identified. The finite element model is used to simulate the most unfavorable working conditions of the crane during movement， so as to provide guidance for on-site construction.

Keywords： bridge engineering; pile foundation construction; underwater platform; structural analysis; Midas

隨著近些年來我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的全面深化，橋梁施工的地形也越來越復(fù)雜，尤其在地質(zhì)復(fù)雜的山區(qū)，橋隧占比普遍較高，并且制約橋梁施工工期的控制節(jié)點(diǎn)就是樁基施工，特別是深水樁基的施工尤其重要。深水樁基施工通常通過搭設(shè)鋼平臺(tái)的方法進(jìn)行施工，鋼平臺(tái)以插打鋼護(hù)筒作為平臺(tái)的基礎(chǔ)，但此法施工周期較長，為解決這一難題，本文通過深水樁基的鋼護(hù)筒作為平臺(tái)基礎(chǔ)既可以節(jié)省工期也能節(jié)約鋼護(hù)筒所需要的材料。本文基于Midas/Civil有限元軟件，以瀘石高速得妥特大橋的深水樁基施工為依托，采用有限元模型模擬樁基施工中的不利工況，提出一種適用于平臺(tái)施工的結(jié)構(gòu)，為保障深水樁基的施工起到深遠(yuǎn)的影響意義。

1 工程概況

瀘（定）石（棉）高速得妥特大橋位于得妥鎮(zhèn)繁榮村和北頭村境內(nèi)，為跨越大渡河而設(shè)。橋梁主跨采用4×72 m+5×70 m鋼箱梁簡(jiǎn)支梁橋，起止樁號(hào)：K45+610～K47+128，橋梁全長1 518 m。其主墩采用桁式墩（9#、10#、11#墩處于河道內(nèi)，如圖1所示），為鋼管混凝土墩，墩臺(tái)采用無承臺(tái)樁基礎(chǔ)。

2 鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)9#、10#、11#墩的位置，沖孔平臺(tái)平臺(tái)設(shè)置于橋墩位，為減少鋼材的用量以及節(jié)省工期，減少后期施工完成拆除的工作量，本方案采用鋼護(hù)筒獨(dú)立支撐方式搭設(shè)平臺(tái)，如圖2所示，這樣既有效利用了沖孔所需要的永久性鋼護(hù)筒，又減少了插打鋼管樁搭設(shè)平臺(tái)的過程。平臺(tái)尺寸為10 m×25.5 m，鋼護(hù)筒打入河床應(yīng)大于9 m，護(hù)筒采用Φ2 200 mm×22 mm鋼板，在鋼護(hù)筒四周先焊接牛腿，再在牛腿上搭設(shè)一層45b工字鋼作為承重型鋼，再在承重工字鋼上沿順橋向搭設(shè)一層I45b工字鋼縱梁，I45b縱梁工字鋼上再沿橫橋向設(shè)置I25b工字鋼分配梁間距40 cm，分配梁上焊接8 mm花紋鋼板作為橋面板；為加強(qiáng)支架整體性，在承重工字鋼下，沿橫橋向外側(cè)鋼護(hù)筒外側(cè)設(shè)置I45b加強(qiáng)梁，與承重梁焊接；鋼護(hù)筒橫橋向間設(shè)置I45b工字鋼平聯(lián)，[20槽鋼斜撐。這樣的平臺(tái)設(shè)計(jì)摒棄了以往需要用鋼管樁加貝雷梁來搭設(shè)鋼平臺(tái)的方式，大大節(jié)省了工期并且節(jié)約了材料減少了平臺(tái)自重。

3 鋼平臺(tái)受力計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及材料強(qiáng)度

鋼材。所用鋼板、鋼筋及型鋼均為Q235b鋼材，其密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，阻尼比為0.02，Q235b鋼材的彈性模量取2.06×105 MPa。

3.2 荷載

1）自重。鋼材容重按78.5 kN/m3，由程序自動(dòng)計(jì)入。

2）吊重。吊重設(shè)備采用75 t履帶吊機(jī)，自重加配重共75 t，接觸面積為2×5 440×800 mm2。75 t履帶吊機(jī)行走時(shí)速度不得大于5 km/h。履帶吊機(jī)在鋼平臺(tái)上工作時(shí)最大吊重35 t。

3）沖擊荷載。75 t履帶吊最大行走速度按1 km/h計(jì)，即0.28 m/s，根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，運(yùn)行速度小于等于0.4 m/s，沖擊系數(shù)取1.0。

4）沖擊鉆荷載。沖孔平臺(tái)鉆孔作業(yè)時(shí)，按4臺(tái)機(jī)械同時(shí)工作，沖擊鉆長8 m，寬2.2 m，每臺(tái)沖擊鉆按20 t計(jì)。

5）水流力。根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)范第4.3.9規(guī)定，作用于前排鋼護(hù)筒的水流壓力：Fw前=47.6 kN，后排管水流壓力為：Fw后=33.32 kN。流水壓力的合力作用點(diǎn)假定設(shè)在設(shè)計(jì)水位線以下0.3倍水深處。

6）漂浮物荷載。漂浮物漂至鋼護(hù)筒處，形成水頭差，考慮漂浮物高1 m，寬3 m，在鋼護(hù)筒頂部增加20 kN水平荷載。

7）風(fēng)荷載。根據(jù)氣象情況，橋區(qū)風(fēng)速可達(dá)15 m/s，大風(fēng)天氣約10.5 d/a。按JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

3.3 荷載組合

采用“承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”進(jìn)行荷載計(jì)算，按荷載的基本組合計(jì)算荷載組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值。

3.4 沖孔平臺(tái)計(jì)算模型

平臺(tái)作為一種重要的大臨設(shè)施，其設(shè)計(jì)驗(yàn)算準(zhǔn)則：在工作狀態(tài)下，應(yīng)滿足鉆孔樁施工時(shí)的安全性和適用性的要求，并具有良好的安全儲(chǔ)備；在非工作狀態(tài)下，平臺(tái)禁止車輛通行與施工作業(yè)，此時(shí)平臺(tái)應(yīng)能滿足整體安全性的要求，允許出現(xiàn)局部可修復(fù)的損壞。沖孔平臺(tái)分為吊裝區(qū)和鉆孔區(qū)，采用Midas計(jì)建立整體模型。計(jì)算模型如圖3所示。

3.4.1 施工狀態(tài)計(jì)算

此時(shí)按照沖孔鉆機(jī)的節(jié)點(diǎn)荷載作用在平臺(tái)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

1）強(qiáng)度計(jì)算。在荷載組合作用下，沖孔平臺(tái)各構(gòu)件應(yīng)力云圖分別如圖4—圖7所示。

計(jì)算結(jié)果表明：橫向分配梁I25b在沖擊鉆荷載作用下應(yīng)力為34.8 MPa；縱梁I45b工字鋼在沖擊鉆荷載作用下應(yīng)力為85.4 MPa；橋面板8 mm花紋鋼板在沖擊鉆荷載作用下應(yīng)力為9.73 MPa；平臺(tái)支撐基礎(chǔ)鋼護(hù)筒在沖擊荷載以及水流力作用下應(yīng)力為46.6 MPa。鋼管支撐架構(gòu)件最大組合應(yīng)力為-85.4 MPa，出現(xiàn)在45b縱梁上，平臺(tái)最大剪切應(yīng)力為-10.9 MPa，出現(xiàn)在25b分配梁處，均小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足要求。

2）剛度計(jì)算。在荷載組合作用下，沖孔平臺(tái)位移云圖如圖8和圖9所示。

計(jì)算表明，在沖擊鉆機(jī)荷載、流水壓力等作用下，沖孔平臺(tái)縱向與橫向位移均較小，豎向位移最大為-3.7 mm≤L/400=17.25 mm，橫向位移最大為-13 mm≤L/400=50 mm，滿足要求。

3）反力計(jì)算。在結(jié)構(gòu)自重、水流荷載、沖擊鉆荷載作用下，并考慮安全系數(shù)后，鋼管最大反力如圖10所示。

計(jì)算表明，樁基最大反力為398.7 kN。

4）穩(wěn)定性計(jì)算。將移動(dòng)荷載產(chǎn)生的最大支點(diǎn)反力加載至鋼護(hù)筒頂，與沖孔平臺(tái)自重進(jìn)行組合，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)定性分析如圖11所示。

一階模態(tài)特征值為19.3，鋼護(hù)筒穩(wěn)定性滿足要求。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果顯示，鋼平臺(tái)在沖擊鉆荷載作用下其剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性都能很好地滿足使用要求。

3.4.2 護(hù)筒平臺(tái)牛腿局部強(qiáng)度計(jì)算

沖孔平臺(tái)牛腿采用2 cm鋼板及雙拼45b工字鋼與鋼護(hù)筒進(jìn)行焊接，焊縫高度不小于8 mm，焊縫應(yīng)飽滿，為防止焊接殘余應(yīng)力損傷結(jié)構(gòu)，控制焊接參數(shù)，采用預(yù)熱和后熱處理，合適的焊接順序和方式，適當(dāng)?shù)暮附咏宇^形式和填充材料，并且采用二氧化碳保護(hù)焊。護(hù)筒平臺(tái)牛腿計(jì)算模型如圖12和圖13所示。

護(hù)筒平臺(tái)牛腿受力的主要工況為沖擊鉆機(jī)在平臺(tái)上沖孔作業(yè)，主要荷載為沖擊鉆機(jī)+結(jié)構(gòu)自重。每個(gè)牛腿承受30 t荷載，并考慮沖擊系數(shù)為1.3進(jìn)行計(jì)算。

鋼護(hù)筒的受力及變形情況如圖14和圖15所示。

結(jié)果顯示，鋼護(hù)筒與牛腿接觸部位的最大組合應(yīng)力為145 MPa，強(qiáng)度滿足要求，位移變形值為7.2 mm，剛度滿足要求。

4 結(jié)束語

鋼護(hù)筒平臺(tái)在作為深水樁基的施工平臺(tái)時(shí)，該結(jié)構(gòu)安全可靠，振感小，用料節(jié)約，實(shí)施情況好。該平臺(tái)施工完成后在使用期間，沒有出現(xiàn)過異常情況，施工車輛順利通行，沖孔鉆機(jī)能正常作業(yè)，穩(wěn)定性滿足要求。

1）針對(duì)深水樁基施工用鋼平臺(tái)采用移動(dòng)荷載綜合分析法更為科學(xué)，能快速分析出荷載作用的最不利工況位置，并根據(jù)分析結(jié)果，提出有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2）該方法操作簡(jiǎn)單，按照該思路進(jìn)行類似結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，尤其是單元較多、操作復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其對(duì)于不具備較強(qiáng)結(jié)構(gòu)力學(xué)能力的技術(shù)人員來說，同樣能快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，有助于提高工作效率。

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