肖冰 祝可為

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建福州 350007)

近年來(lái)，隨著我國(guó)跨江、跨海、跨河橋梁建設(shè)的不斷增加，水上鉆孔鋼平臺(tái)被廣泛應(yīng)用在各類(lèi)橋梁深水基礎(chǔ)的施工過(guò)程中。鉆孔鋼平臺(tái)具有施工便捷、材料周轉(zhuǎn)方便、安全有保障等特點(diǎn)。但目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)鉆孔鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)研究方興未艾。張曉元等以蘇拉馬都跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，介紹了海上施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)布置及施工方法[1]；呂江針對(duì)橋墩處水位較深，同時(shí)水下巖面覆蓋層較薄的情況，設(shè)計(jì)了由鋼管定位樁+分配梁+貝雷梁+平臺(tái)面板組成的水上鉆孔平臺(tái)[2]；王安等設(shè)計(jì)出鋼管樁聯(lián)合鋼護(hù)筒搭設(shè)施工作業(yè)平臺(tái)的施工方案[3]；嚴(yán)海寧等依托漳江灣特大橋及連接線(xiàn)工程，對(duì)海上鋼棧橋、鋼平臺(tái)的施工方案進(jìn)行比選，對(duì)施工工藝進(jìn)行研究[4]。以上研究成果采用的傳統(tǒng)計(jì)算法和ANSYS有限元模擬計(jì)算法，對(duì)鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全預(yù)警具有較好的借鑒意義。但前者存在計(jì)算量大、效率低、人為誤差大，后者存在受力條件、結(jié)構(gòu)形式偏簡(jiǎn)化、材料浪費(fèi)較嚴(yán)重等缺點(diǎn)。因此有必要依托Midas Civil有限元模擬軟件對(duì)鋼平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

Midas Civil作為通用的空間有限元分析軟件在鉆孔鋼平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安全驗(yàn)算和施工技術(shù)方面有著不可替代的優(yōu)勢(shì)[5]。針對(duì)橋梁鉆孔鋼平臺(tái)邊界復(fù)雜、連接繁多、結(jié)構(gòu)模型相對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)狀，運(yùn)用Midas Civil軟件進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，可綜合考慮鋼平臺(tái)在各種工況下的相互作用，對(duì)鋼平臺(tái)實(shí)際受力狀況進(jìn)行詳盡的分析。

本文以關(guān)門(mén)江水道大橋水中墩鉆孔鋼平臺(tái)為例，應(yīng)用Midas Civil軟件對(duì)鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)最不利工況下的荷載組合進(jìn)行鋼平臺(tái)樁基礎(chǔ)力學(xué)性狀、結(jié)構(gòu)特征、橋面鋼板、縱橫向分配梁、貝雷梁、鋼管樁等各部分的相互作用進(jìn)行研究，得出鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，為水中墩鉆孔鋼平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供精確的工程數(shù)據(jù)[6]。

1 鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

G1514寧德至上饒國(guó)家高速公路福建省霞浦至福安段A2合同段關(guān)門(mén)江水道大橋位于霞浦縣溪南鎮(zhèn)，關(guān)門(mén)江水道大橋水中墩鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)均為貝雷梁型鉆孔平臺(tái)，根據(jù)鉆孔灌注樁和承臺(tái)尺寸，鉆孔平臺(tái)分為五種形式(A、B、C、D、E)，平臺(tái)設(shè)計(jì)行車(chē)速度均為5 km/h。因五種形式平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式基本一致，本文以D型鉆孔平臺(tái)(11#、12#墩)為例，驗(yàn)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力。

D型鉆孔平臺(tái)尺寸為39.4 m×33 m，鋼管樁基礎(chǔ)為Φ820×10 mm鋼管，共計(jì)25根，樁長(zhǎng)43 m左右。鋼管樁橫梁為2I50工字鋼，工字鋼上安放32片(雙排單層與三排單層兩種)貝雷梁。貝雷梁上按0.75 m間距橫向布置I25a工字鋼作為分配梁，縱向按0.3 m間距布置I12.6作為縱向分配梁。橋面滿(mǎn)鋪10 mm鋼板，I12.6工字鋼作為橋面欄桿。鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示：

圖1 11#、12#墩鉆孔平臺(tái)平面圖(單位：m)

圖2 11#、12#墩鉆孔平臺(tái)平聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

1.2 荷載及荷載組合

結(jié)構(gòu)自重：重力系數(shù)取1.05。恒載考慮1.2的分配系數(shù)，活載考慮1.4的分配系數(shù)[7-8]?？勺冏饔每紤]汽車(chē)荷載、汽車(chē)沖擊力、汽車(chē)制動(dòng)力、風(fēng)荷載、流水壓力等。

1.2.1 汽車(chē)活載

1)混凝土罐車(chē)。12 m3混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)整車(chē)自重約17 t，混凝土重約28.8 t，滿(mǎn)載總質(zhì)量約45.8 t，總荷載460 kN。

2)履帶式起重機(jī)。180 t履帶吊起重機(jī)總質(zhì)量185 t(含基本主臂)，考慮在12.0 m的幅度范圍內(nèi)吊裝作業(yè)，最大吊重約50 t，合計(jì)重量235 t，履帶平均接地比壓為pz=118 kPa。

3)履帶式旋挖鉆機(jī)及反循環(huán)鉆機(jī)。采用YTK30000履帶式回旋鉆機(jī)、徐工XR-580HD型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，其主要參數(shù)為：旋挖鉆滿(mǎn)配自重(帶鉆桿)200 t，YTK30000履帶式回旋鉆機(jī)(帶鉆桿)145 t，尺寸參考履帶吊參數(shù)。

4)14 m半掛車(chē)(托運(yùn)重型挖掘機(jī))，牽引車(chē)整車(chē)自重約8.5 t，總重約35 t。

5)其他車(chē)輛。汽車(chē)起重機(jī)的荷載與混凝土罐車(chē)相比較小，故不考慮汽車(chē)起重機(jī)參與組合。

1.2.2 汽車(chē)沖擊力

由于車(chē)輛移動(dòng)緩慢，加載時(shí)均采用車(chē)輛靜荷載，不考慮沖擊系數(shù)。

1.2.3 汽車(chē)制動(dòng)力

履帶車(chē)輛過(guò)橋時(shí)，行駛緩慢，不考慮其制動(dòng)荷載?；炷凉捃?chē)及砂石料運(yùn)輸車(chē)的制動(dòng)力按其重力荷載的10%施加，沿縱向作用于橋面板車(chē)輪位置處。一聯(lián)考慮同向兩輛車(chē)同時(shí)制動(dòng)，即110 kN按比例分配至各個(gè)輪位處。

1.2.4 小型設(shè)備及人群荷載。

按3 kPa考慮，分布在整個(gè)鉆孔平臺(tái)范圍。

1.2.5 風(fēng)荷載

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]JTG/T 3360-01-2018第5.4.1條，橋墩上的等效靜陣風(fēng)荷載為

式中Fg為作用在主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的順風(fēng)向等效靜陣風(fēng)荷載，N/m；ρ為空氣密度，可取為1.25 kg/m3；Ug為等效靜陣風(fēng)風(fēng)速，m/s；CD為構(gòu)件的阻力系數(shù)；An為構(gòu)件單位長(zhǎng)度上順風(fēng)向的投影面積，m2/m。

本鉆孔平臺(tái)鋼管樁外徑為0.82 m，最低通航水位以上高度為9.69 m，高寬比約為9.5，阻力系數(shù)為CD=0.5，鋼管樁的風(fēng)荷載為

1)W1風(fēng)作用水平

Fgp1=0.5×1.25×15.572×0.5×0.82=

62.12 N/m .

2)W2風(fēng)作用水平

Fgp1=0.5×1.25×35.072×0.5×0.82=

315.16 N/m .

鋼管樁的風(fēng)荷載以線(xiàn)分布力的形式作用于水面以上的部分。

1.2.6 流水壓力

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》[10](JTS 144-1-2010)第13.0.3.1條，當(dāng)計(jì)算作用于沿水流方向排列的梁、桁架、墩、柱等構(gòu)件上的水流力時(shí)，應(yīng)將各構(gòu)件的水流阻力系數(shù)乘以相應(yīng)的遮流影響系數(shù)，遮流影響系數(shù)可按表13.0.3-2選用。

五根鋼管樁一排間距為5.5 m，9.74 m，9.74 m，5.5 m，鋼管樁排距為9 m，7.5 m，6 m，7.5 m，7.5 m。鋼管樁直徑為0.82 m，則根據(jù)表13.0.3-2，水流阻力系數(shù)取0.73，后排相應(yīng)的遮流影響系數(shù)取0.82。作用于鋼管樁上的流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值為

50.57 KN(0.82直徑鋼管樁).

流水壓力合力的作用點(diǎn)，假定在設(shè)計(jì)水位線(xiàn)以下0.3倍樁徑水深處。

1.2.7 波浪力

波浪力采取簡(jiǎn)化處理，在靜水面以上0.5 m的范圍內(nèi)施加5 kPa的均布?jí)毫奢d，主墩范圍鋼管樁計(jì)算寬度按1 m，圓形橋墩形狀系數(shù)取K=0.8，則集中力大小為

Fw=0.8×0.5×1×5=2 kN.

波浪力作用于各個(gè)鋼管樁頂。

2 建立Midas Civil數(shù)值模型

2.1 數(shù)值分析模型

在有限元模型中，采用板單元模擬橋面板，其余桿件均采用梁?jiǎn)卧M，共建立39 348個(gè)單元。有限元模型各部位的連接及約束關(guān)系如下：

1)分配梁、承重主橫梁與貝雷梁弦桿對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間，在保證每一個(gè)構(gòu)件為幾何不變體系的條件下，采用一般彈性連接(水平及轉(zhuǎn)角方向設(shè)置弱彈簧，剛度取1 kN/m)；

2)貝雷片之間采用螺栓連接，在端部單元釋放貝雷平面內(nèi)的彎曲自由度；

3)花架與貝雷之間采用剛性連接;

4)鋼管樁在虛擬嵌固部位采用固結(jié)約束，考慮虛擬嵌固深度;

5)樁與承重橫梁之間采用剛性連接。

有限元模型中的坐標(biāo)系規(guī)定如下：整體坐標(biāo)系以橋梁縱向?yàn)閥方向；橋梁橫向?yàn)閤方向；豎向?yàn)閦方向，以向上為正，z=0位于平臺(tái)中面中心。全尺寸建立D型平臺(tái)有限元模型如圖3、圖4所示：

圖3 D型鋼平臺(tái)平面圖

圖4 整體模型圖

2.2 計(jì)算方案

現(xiàn)按結(jié)構(gòu)最不利工況對(duì)11#、12#墩鉆孔平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力檢算。此工況下，1臺(tái)履帶吊(235 t)在作業(yè)支道上吊裝作業(yè)，1臺(tái)履帶式反循環(huán)鉆機(jī)(200 t)在平臺(tái)上進(jìn)行鉆孔施工，3臺(tái)12 m3混凝土罐車(chē)(45.8 t)在作業(yè)支道上同時(shí)進(jìn)行混凝土澆筑施工。

3 數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

本工程實(shí)例中貝雷梁桿件材質(zhì)為16錳鋼，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]GB50017-2017表4.4.1，在基本組合作用下，其拉、壓及彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為305 MPa，剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為175 MPa。參考《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》[11]，在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，其拉、壓及彎曲應(yīng)力容許值為273 MPa，剪應(yīng)力容許值為208 MPa；除貝雷梁外，其余均為Q235鋼材，其拉、壓及彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa(板件厚度小于16 mm)，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為125 MPa。

運(yùn)用Midas Civil 軟件，在最不利工況下(即1臺(tái)履帶吊、1臺(tái)鉆機(jī)、3臺(tái)混凝土罐車(chē)同時(shí)作業(yè))分別對(duì)橋面鋼板(δ=10 mm)、橋面縱向分配梁(I12.6)、橫向分配梁(I25a)、貝雷梁、樁頂墊梁(2I50b)、樁間連接系(φ620×8)、鋼管樁進(jìn)行分析，得到鉆孔鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)承載能力如圖5所示，結(jié)構(gòu)相對(duì)變形如圖6所示，各結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力及相對(duì)位移計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?和表2所示。

3.1 鉆孔鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算

圖5 最不利工況下鋼板組合應(yīng)力圖(N/mm2)

由圖5所知，鋼板最大應(yīng)力為25.23 MPa，小于設(shè)計(jì)值215 MPa，故知鋼面板張度滿(mǎn)足要求。

表1鉆孔鋼平臺(tái)最不利工況下各結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果匯總

MPa

從表1可以看出，鋼平臺(tái)各結(jié)構(gòu)部件的最大剪切應(yīng)力、軸向應(yīng)力、組合應(yīng)力均小于規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)值，平臺(tái)最大應(yīng)力為261.5 MPa，整體強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

3.2 鉆孔鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)相對(duì)位移計(jì)算

圖6 最不利工況下分配梁變形位移圖(mm)

由圖6可知，分配梁變形位移為9.18 mm，小于容許變形值12.17 mm，故知分配梁剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 鉆孔鋼平臺(tái)最不利工況下各結(jié)構(gòu)相對(duì)位移結(jié)果匯總

由于縱向分配梁I12.6間距0.3 m布設(shè)，跨度為0.75 m，在一個(gè)輪壓(或履帶寬帶)作用范圍內(nèi)，區(qū)域內(nèi)整體下沉變形，單梁跨中變形剛度不作驗(yàn)算。從表2平臺(tái)結(jié)構(gòu)各部件的變形結(jié)果匯總來(lái)看，橫向分配梁、貝雷梁、樁頂墊梁、鋼管樁的相對(duì)位移均小于根據(jù)規(guī)范的撓度許用值，鋼平臺(tái)整體剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[12-14]。

3.3 鋼管樁驗(yàn)算(上部結(jié)構(gòu)恒載、活載及動(dòng)水壓力、風(fēng)荷載)

鋼管樁強(qiáng)度、剛度已由Midas Civil 軟件計(jì)算得出：結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。但要進(jìn)一步對(duì)穩(wěn)定性、承載力進(jìn)行校驗(yàn)。

3.3.1 穩(wěn)定性計(jì)算

直徑820 mm，壁厚10 mm螺旋鋼管回轉(zhuǎn)半徑i=286.4 mm，長(zhǎng)細(xì)比λ=l0/i=43.4×0.7×1 000/286.4=106.08≤150，符合要求，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附表，得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.592。σmax=N/(φA)=887.9×1 000/(0.592×25 431.33)=58.98 Mpa<182 MPa=1.3×140 MPa；(其中1.3為臨時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力提高系數(shù))，故穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

3.3.2 承載力計(jì)算

根據(jù)《建筑樁基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 94-2008)公式(5.3.7-1)，單樁豎向承載力按主橋11#墩位處河床地質(zhì)為例計(jì)算，管樁采用φ820 mm，δ=10 mm，樁長(zhǎng)44.33 m，樁頂標(biāo)高為+6.15 m，海床標(biāo)高-29.07 m，樁頂至河床面為35.25 m，鋼管樁入土9.08 m，樁底標(biāo)高-38.16 m，則鋼管樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk：

Quk=u∑qsikli+λpqpkAp.

根據(jù)勘查資料提供的數(shù)據(jù)，11#墩位處土層參數(shù)(從河床依次向下)：

1)淤泥，稍密，入土1.8 m：極限側(cè)摩阻力忽略不計(jì)。

2)砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖，入土7.28 m：極限側(cè)摩阻力(估值)qsik=70 kPa，地基承載力基本容許值450 Kpa，計(jì)算中忽略。

Quk=3.14×0.82×[7.28×70]=1 312.12 kN

鋼管樁樁長(zhǎng)43.4 m，入河床9.08 m時(shí)，能提供的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值為1 312.12 kN，大于管樁(單樁)需要提供的最大豎向承載力887.9 kN，所以鋼管樁入土深度滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Midas Civil軟件整體建模計(jì)算可知，在最不利工況下：鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)部件的最大剪切應(yīng)力、軸向應(yīng)力、組合應(yīng)力均小于規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)值，整體強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；鉆孔鋼平臺(tái)的橫向分配梁、貝雷梁、樁頂墊梁、鋼管樁的相對(duì)位移均小于根據(jù)規(guī)范的撓度許用值，整體剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；鋼管樁的穩(wěn)定性、入土深度、承載力等同時(shí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果安全可靠，很好地服務(wù)于工程建設(shè)。

相比于以往傳統(tǒng)的計(jì)算方法存在的注重結(jié)構(gòu)使用功能、忽略結(jié)構(gòu)施工過(guò)程等問(wèn)題，運(yùn)用Midas Civil軟件，打破了工程領(lǐng)域傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗(yàn)和理論公式計(jì)算的弊端，僅通過(guò)建立模型，輸入各種荷載及邊界條件等參數(shù)化設(shè)計(jì)，即可得到各種荷載下的結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果，大大提高了工作效率，減少重復(fù)計(jì)算工作，為工程的施工控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了很大的幫助，具有推廣價(jià)值。