李俊松

(四川智通路橋工程技術(shù)有限責(zé)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(hù)筒支撐鉆孔平臺(tái)的施工方案。采用振動(dòng)錘輔助鋼護(hù)筒下沉至巖層，并在河床底部下放矮沉箱、澆筑板筏，再對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行整體連接并在其上搭設(shè)鉆孔平臺(tái)(圖1)。

2 鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

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

圖2 鉆孔平臺(tái)平面尺寸

圖3 鉆孔平臺(tái)剖面尺寸(橫橋向)

3 鉆孔平臺(tái)施工工藝要點(diǎn)

(1)每根護(hù)筒安裝順序：刃腳段護(hù)筒吊運(yùn)—各標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)筒吊運(yùn)及拼裝—頂端段護(hù)筒吊運(yùn)及拼裝—護(hù)筒拼裝完成后整體下放—護(hù)筒位置調(diào)整及鎖定—進(jìn)入護(hù)筒橫撐及牛腿焊接。

(2)護(hù)筒的導(dǎo)向架：護(hù)筒下放時(shí)的導(dǎo)向通過(guò)在操作平臺(tái)上的I45B工字鋼進(jìn)行確定。限位上橫桿采用I25B工字鋼，設(shè)置于操作平臺(tái)主梁頂面。

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

(4)鋼護(hù)筒橫向平聯(lián)設(shè)計(jì)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(shè)置，以便焊接。

(5)鋼護(hù)筒聯(lián)接系統(tǒng)施工完畢、鋼沉箱下放后依次進(jìn)行平臺(tái)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(yùn)輸船運(yùn)輸?shù)轿唬褂谬堥T吊進(jìn)行安裝。

(6)給橫向主梁安裝到位后，在鋼平臺(tái)四角拉設(shè)下拉纜，下拉纜的錨碇同導(dǎo)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(tái)有限元模型建立及結(jié)果分析

4.1 整體模型

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

圖4 鉆孔平臺(tái)有限元計(jì)算模型

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

4.2 約束及邊界條件

實(shí)際工程中鉆孔平臺(tái)各鋼構(gòu)件之間均采用焊接，故在建立Midas有限元模型時(shí)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(tái)結(jié)構(gòu)中的鋼管樁、鋼護(hù)筒和河床地基土之間的相互作用很復(fù)雜，考慮到本工程主要分析的是平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，故此處采用假想嵌固點(diǎn)的方法，在河床泥底面以下一定深度處認(rèn)為平臺(tái)粧完全嵌固，在Midas有限元模型中將鋼護(hù)筒底部的邊界條件設(shè)置為固接。

4.3 鉆孔平臺(tái)靜力

(1)垂直荷載

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

(2)動(dòng)力壓力

承重鋼管最大吃水深度為315 mm，按下式計(jì)算吊箱所受的水流沖擊力：

F=K(γV2/2g)A(kN)

(3)風(fēng)荷載

鋼管露出水面高度按400 mm計(jì),橋面系折算高度按100 mm計(jì)。

Fwh=k0k1k3WdAwh

考慮最不利荷載作用：來(lái)流水壓力、風(fēng)荷載、自重以及平臺(tái)上鉆機(jī)重。

4.4 鉆孔平臺(tái)靜力分析

(1)鋼護(hù)筒應(yīng)力結(jié)果

鋼護(hù)筒應(yīng)力結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋼護(hù)筒正應(yīng)力

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

(2)縱向分配梁的應(yīng)力結(jié)果

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

圖6 縱向分配梁的正應(yīng)力

圖7 縱向分配梁的剪應(yīng)力

(3)鋼護(hù)筒斜撐應(yīng)力結(jié)果

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

圖8 縱向分配梁的剪應(yīng)力

(4)鋼護(hù)筒變形結(jié)果

鋼護(hù)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(hù)筒的厚度為22 mm，該最大變形不超過(guò)鋼護(hù)筒壁厚，可知，其對(duì)鋼護(hù)筒形狀影響很小，可以忽略不計(jì)，故滿足使用要求。

圖9 鋼護(hù)筒變形

5 鉆孔平臺(tái)有穩(wěn)定性分析

本文運(yùn)用大型有限元分析軟件MIDAS計(jì)算了多種荷載工況下不同模式的施工平臺(tái)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(jìn)行分析，即：考慮最不利荷載作用：來(lái)流水壓力、風(fēng)荷載、自重以及平臺(tái)上鉆機(jī)重，分類兩種荷載工況進(jìn)行分析。荷載工況一：上述最不得荷載組合，其中鉆機(jī)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(jī)位于河流下游側(cè)。

(1)鉆孔平臺(tái)穩(wěn)定性分析結(jié)果

鉆孔平臺(tái)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(hù)筒平臺(tái)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(hù)筒間的橫向連接系構(gòu)件失穩(wěn)，說(shuō)明此連接系相對(duì)平臺(tái)整體的剛度相對(duì)較弱，這與前述的平臺(tái)靜力分析與動(dòng)力特性分析結(jié)果較吻合。兩種荷載工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)相同，失穩(wěn)系數(shù)差異不大，說(shuō)明了平臺(tái)上鉆機(jī)作用位置對(duì)平臺(tái)失穩(wěn)影響不太明顯。

(2)鋼絲繩+地錨對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性的影響

為了進(jìn)一步分析增加鋼絲繩+地錨對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性的影響，分別分析對(duì)應(yīng)工況下增加鋼絲繩+地錨后平臺(tái)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(tái)失穩(wěn)模態(tài)分析可知，鋼護(hù)筒平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的第一階失穩(wěn)系數(shù)為4.7，較原來(lái)平臺(tái)系統(tǒng)有明顯提高，說(shuō)明增加鋼絲繩+地錨可以在一定程度上提高平臺(tái)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(hù)筒間的橫向連接系構(gòu)件失穩(wěn)，說(shuō)明此連接系相對(duì)平臺(tái)整體的剛度相對(duì)較弱，這與前述的平臺(tái)靜力分析與動(dòng)力特性分析結(jié)果較吻合。兩種荷載工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)相同，失穩(wěn)系數(shù)差異不大，說(shuō)明了平臺(tái)上鉆機(jī)作用位置對(duì)平臺(tái)失穩(wěn)影響不太明顯。

6 結(jié)論

根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)件以及連接方式，利用MIDAS軟件對(duì)鋼護(hù)筒平臺(tái)建立有限元模型，并進(jìn)行多種荷載工況下的靜力分析，動(dòng)力分析以及穩(wěn)定性分析可知：

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

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

(3)通過(guò)對(duì)鉆孔平臺(tái)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(hù)筒間的橫向連接系構(gòu)件失穩(wěn)，說(shuō)明此連接系相對(duì)平臺(tái)整體的剛度相對(duì)較弱，從增加鋼絲繩+地錨后平 臺(tái)失穩(wěn)模態(tài)分析可知，鋼護(hù)筒平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的第一階失穩(wěn)系數(shù)為4.7，較原來(lái)平臺(tái)系統(tǒng)有明顯提高，說(shuō)明增加鋼絲繩+地錨可以在一定程度上提高平臺(tái)的穩(wěn)定性。