整体装配式灌注桩施工平台的设计与应用

张连江，徐波，孙建波

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概况

港珠澳大桥桥梁工程深水区CB03合同段中非通航孔桥共计68个桥墩，其中，等宽段共55个墩台，每个墩台基础采用6根直径为2.0 m的钢管桩和直径为1.75m的灌注桩组成的钢管复合桩；变宽段共13个墩台，每个墩台基础采用6根直径为2.2 m的钢管桩和直径为1.95 m的灌注桩组成的钢管复合桩[1]。

本工程工程量大，质量要求高，工期紧，施工地点处于外海，远离陆地。以往工程中采用的临时引桥以及海上拆装式平台工艺都满足不了本工程的要求。采用可整体吊装周转使用的灌注桩施工平台，不仅减少了海上施工工序，提高了施工效率，还减少了辅助材料的投入，节约了成本，其工艺关键是结构设计、平面布局和安装方法。

2 平台结构设计

2.1 总体平面布局

为了使平台满足灌注桩施工生产以及人员的生活住宿等条件要求，合理利用有限的空间，将平台上的设施按“回”字形布置（如图1所示）。平台中部为灌注桩的主要施工区域，平台外围为生产辅助区及生活区，其中，生产辅助区左侧布置有仓库、淡水箱、油罐等；上侧为动力供应区，布置有发电机和空压机；右侧为过滤设施安放区，布置有泥浆桶和泥浆净化器等。平台下侧为生活区，布置有办公室、厨房、宿舍、厕所等。

图1 平台设施总体平面图Fig.1 Overallplan of the platform facilities

油罐与发电机、明火区域保持必要的安全距离；淡水箱与造浆材料仓库并排摆放，方便工程造浆；人员上下平台的梯子布置在生活区附近，避免人员上下穿过施工区域。

2.2 平台主要构造

根据施工期各种荷载的最不利组合情况进行结构设计，同时满足直径2.0m桩和2.2m桩以及不同桩间距的使用要求。

整体装配式主体结构由空间桁架组成，平台平面尺寸为32 m×19.2 m，高4.4 m。桁架底层采用35 cm×24 cm箱型截面主梁和双拼 [28a槽钢主梁，与桩基钢抱箍相接触区域因剪力最大，采用35 cm×30 cm箱型截面主梁，桁架顶层采用双拼 [25a槽钢主梁，竖杆采用双拼 [20a槽钢，斜杆采用双拼 [16槽钢焊接而成，如图2所示[2]。

图2 平台桁架结构图Fig.2 The platform girder structure

2.3 钢抱箍结构

通过在6根钢管桩上安装钢抱箍形成平台的竖向支撑体系，平台安装到位后，采用千斤顶对称顶紧钢管桩桩身，以防在钻孔过程中平台晃动。

钢抱箍由两块钢板弯成略小于桩径的半圆箍拼装而成，连接处预留4～5 cm间隙，采用两排高强度螺栓连接。与连接处呈90°方向对称布置2个箱型牛腿，作为整体式平台的承力结构。

钢抱箍有两种尺寸规格，分别适应2.0 m桩和2.2m桩。

2.4 辅助设施

平台的辅助设施主要包括靠船桩及人员上下通道。

为避免施工船舶直接靠泊平台对平台结构及灌注桩成孔质量造成影响，在平台的东西两侧各布置7根φ630mm直径的钢管桩作为靠船桩，桩长36m，顶标高+6.0m。桩壁靠船的一侧布置橡胶护舷，护舷中心标高+2.0 m。靠船桩采用电动振动锤振沉，待整体式平台拆除后，再使用电动振动锤整体拔出，周转使用。

人员上下通道布置在平台东西两侧靠近生活区的一端，位于两根靠船桩中间，便于交通船靠泊后人员上下。

3 整体装配式施工平台强度校核

3.1 使用工况及荷载组合说明

施工平台计算时分以下两种工况。

1）工况A：整体起吊安装

在平潮时，浮吊通过专用吊具连接平台顶部的4个吊耳，将施工平台整体吊起（图3），并移至已打设完毕的钢管桩正上方，浮吊缓慢落钩，使平台的6个预留孔套入钢管桩，直至施工平台落至钢抱箍上。平台与钢抱箍之间焊接连接钢板，以增强平台的稳定性及抗台风能力。

2）工况B：施工平台满负载作业

图3 平台吊装示意图Fig.3 The platform hoisting schematic draw ing

平台安装到位后，按照平面布置图布置全部生产、生活设施，设施容器内按满载考虑，并同时布置2台套灌注桩施工钻机和配套设备，此时，为施工平台的满负载使用工况。

工况A和工况B条件下的荷载值及分布情况详见表1。

3.2 平台结构强度校核

3.2.1 许用应力设置

平台主桁架采用Q235型钢焊接，δ=235MPa，取安全系数n=1.5， [δ]=δ/n，则平台桁架结构许用应力 [δ]=156MPa。

搁置箱梁材料为Q345，δ=345 MPa，取安全系数：n=1.5， [δ]=δ/n，则搁置箱梁结构许用应力[δ]=230MPa。

依据以上参数，按照平台的设计尺寸采用ANSYS软件[3]三维梁单元建模，进行两种工况条件下的强度分析和校核。

3.2.2 工况A条件下的计算结果

整体应力：上层最大应力发生在钻机摆放处，最大应力为132 MPa。中层最大应力发生在吊耳设置处，最大应力为155 MPa。底层最大应力发生在吊耳设置处，最大应力为133 MPa。

表1 施工平台荷载列表Table1 The loading listof construction platform

吊装时最大变形发生在泥浆罐摆放处，最大变形量DMX=22mm。

由计算结果可见在工况A荷载条件下，平台结构安全，整体刚度良好。

吊点受力为：吊点A＝吊点C＝190 t，吊点B＝吊点 D＝133 t，合计 646 t。

因平台左右两侧受力值不同，吊装索具需单根布置，单根索具按照190 t荷载配置，确保平台吊装平稳、安全。

3.2.3 工况B条件下的计算结果

整体应力：上层最大应力发生在钻机摆放处，为91 MPa。中层最大应力发生在钻机摆放处的下部支撑斜杆，折减后最大应力为155 MPa。底层最大应力发生在搁置梁处，由于梁单元边界条件设置限制导致有局部应力集中，最大应力为224 MPa。

整体相对变形为SMX-SMN=3.295mm。

由计算结果可见在工况B荷载条件下，平台结构安全，整体刚度良好。

3.3 抗台风能力复核

台风期，通过将平台与钢管桩焊接、平台顶部附属设施与平台骨架牢固焊接等加固方式，使平台及附属设施与桩基础形成整体，以此检核平台在台风期的稳定性。

3.3.1 参数设置

施工平台纵方向迎风面积A1=40 m2，横方向迎风面积A2=70 m2，按照14～15级强台风验算，风速取V=51 m/s。

按CCS《船舶与海上设施起重设备规范》2007版计算风载荷，由风速产生的风压q计算得：q=0.613V2=1 594 Pa。

3.3.2 横向平台风载计算

平台上部建筑物风载：Fh1=CqA=1.1×1 594×70=122.8 kN

平台桁架风载：Fh2=CqA=1.95×1 594×41.5×[（1-0.96）/（1-0.9）]=60.5 kN 3.3.3 纵向平台风载计算

平台上部建筑物风载：Fz1=1.1×1 594×40=70.2 kN

平台桁架风载：Fz2=1.95×1 594×19.8×[（1-0.98）/（1-0.9）]=35.1 kN

通过计算平台整体应力可以得出，当14～15级台风来袭时，施工平台桁架主体结构是安全可靠的。

4 结语

整体装配式灌注桩施工平台的成功应用，使施工平台周转更加便捷，大大缩短了海上作业时间，减少了船机设备的占用。在本工程68个独立墩台的平台周转施工期间，经历了数次台风的考验，验证了整体装配式平台结构设计的安全性，可为外海桥梁工程桩基施工平台提供借鉴。

[1]中交公路规划设计院有限公司联合体.港珠澳大桥主体工程桥梁DB01标段施工图设计[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]中交一航局二公局联合体.港珠澳大桥主体工程桥梁工程CB03标段施工组织设计[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工程结构数值分析[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.