钻孔平台及栈桥空间受力分析

何 栋

（广东华路交通科技有限公司，广东 广州510420）

1 工程概况

金沙江桥3号钻孔平台主要用于钻孔桩基础施工，钻孔平台包含钻孔区域和栈桥两部分，栈桥主要用于材料运输及为100 t履带吊、100 t龙门吊等起吊设备提供相关通道。

平台基础采用φ800×12钢管桩，横向分配梁采用2根HN500×200型钢组合截面，纵向分配梁采用3根HN500×200型钢组合截面。顶部采用工20型钢，间距为400 mm。桥面板采用钢桥面板，面板采用8 mm厚的花纹板。

栈桥采用φ800×12钢管桩，最大跨径15 m，分配梁采用2根HN450×200型钢组合截面，桥面由标准贝雷梁及钢桥面板组成。

图1 钻孔平台及栈桥平面布置图（单位：mm）

图2 钻孔平台立面布置图（单位：mm）

2 荷载

2.1 活载

a）KTY4000钻机KTY4000型钻机钻孔时，自重按200 t计算，钻机工作时由四点支撑，纵向支点间距为6.0 m，横向支点间距为4.63 m。单点作用力竖向为P=200/4=50 t。工作时产生的扭矩为300 kN·m，转换为四作用点的力偶，则每作用点的水平力F=300/4.63/2=32.40 kN。

b）100 t履带吊吊重 自重110 t，正向吊重70 t控制，侧向吊重按20 t控制。履带着地长度6.2 m，履带宽度0.94 m，两履带距离5.2 m。履带吊机空载行走时94.4 kN/m2，吊机前方吊重时274 kN/m2，吊机侧向吊重时两履带作用力为29 kN/m，164 kN/m。

c）门吊荷载G=1 500 kN。

d）混凝土罐车荷载 满载总质量为31 t，考虑1.2倍冲击系数。

e）水流荷载 根据桥梁主体结构设计资料及桥梁施工需要，参考《港口工程荷载规范》计算水流力标准值。

f）施工荷载3 kN/m2。

g）风荷载 平台施工状态、工作状态和非工作状态的允许风力分别为：6级、8级和10级，相应风速分别为：13.8 m/s、20.7 m/s、28.4 m/s。当风力超过6级时，禁止栈桥自身施工；当风力超过8级时，禁止在平台上作业，当风力超过10级时，栈桥禁止通行。风载按《公路桥涵设计通用规范》进行计算。

2.2 结构恒载

本平台恒载主要为钢管桩、分配梁及桥面板等结构自重。

3 三维有限元仿真计算模型

3.1 主要技术参数

a）平台顶面高程+279.0 m；

b）设计高水位+277.0 m；

c）设计水流速度3 m/s；

d）河床标高 +244.7 m；

e）土体对钢管桩及钢护筒弹性支撑的反力系数取值m=2 000 kN/m4；

f）结构设计值 由于本结构为临时工程，荷载计算如采用极限状态法设计比较复杂，且各荷载的分项系数不明确，为了计算的简便且可靠，采用容许应力法计算，Q235钢材，容许弯曲应力：[σ]=170 MPa，容许剪切应力：[τ]=100 MPa。

3.2 荷载组合

3.2.1 平台荷载工况

3.2.1.1 平台建立工况

a）工况一 自重+低水位水流荷载+风荷载（平台未与护筒连接）；

b）工况二 自重+履带吊吊装作业（平台未与护筒连接）。

3.2.1.2 平台使用工况

a）工况三 自重+6台钻机+低水位水流荷载+混凝土罐车荷载（平台未与护筒连接）；

b）工况四 自重+6台钻机+高水位水流荷载+混凝土罐车荷载（平台与护筒连接）。

3.2.1.3 平台渡洪工况

工况五 自重+6台钻机+洪水位水流荷载（平台与护筒连接）。

3.2.2 栈桥荷载工况

3.2.2.1 栈桥正常使用工况

a）工况一 履带吊起吊+龙门吊起吊+自重+低水位水流荷载+风荷载（栈桥未与护筒连接）；

b）工况二 罐车荷载+龙门吊起吊+自重+低水位水流荷载（栈桥未与护筒连接）；

c）工况三 罐车荷载+龙门吊起吊+自重+高水位水流荷载（栈桥与护筒连接）。

3.2.2.2 栈桥渡洪工况

工况四（渡洪工况） 自重+洪水位水流荷载（栈桥与护筒连接）。

3.3 结构离散

该平台结构为复杂的空间结构，为准确模拟其受力特征，采取整体空间模型计算钻井平台及栈桥整体效应[1]。河床标高为+244.68，不考虑冲刷，钢管桩底部采用铰接，覆盖层同钢管之间在水流力方向采用弹性支撑连接。

吊机荷载均考虑1.05的冲击系数，此系数在模型工况组合里设置。建立模型如图3。

图3 钻孔平台整体模型

4 主要受力构件计算结果及分析

4.1 低水位下栈桥正常使用计算结果

4.1.1 桥面板分配梁计算结果

在工况一、工况二荷载作用下，经计算，桥面板分配梁最大组合应力155 MPa，桥面板分配梁采用Q235钢材，容许应力170 MPa，故桥面板分配梁强度满足规范要求。

4.1.2 贝雷梁计算结果

在工况一、工况二荷载作用下，贝雷梁弦杆最大轴力346 kN，竖杆最大轴力148 kN，斜杆最大轴力116 kN，贝雷梁弦杆允许最大轴力560 kN，竖杆允许最大轴力210 kN，斜杆允许最大轴力171 kN，故贝雷梁强度满足规范要求；贝雷梁最大竖向位移21.6 mm，计算跨径15 m，允许挠度取 l/400为37.5 mm，故贝雷梁刚度满足规范要求。

4.1.3 分配梁计算结果

在工况一、工况二荷载作用下，桩顶分配梁A最大组合应力65.6 MPa，最大剪应力62 MPa，梁采用Q235钢材，容许应力170 MPa，容许剪应力100 MPa，最大位置计算跨径3.5 m，允许挠度取l/400为8.8 mm，故其强度及刚度均满足规范要求。

4.1.4 钢管桩计算结果

在工况一、工况二荷载作用下，钢管桩最大竖向反力870 kN，其稳定计算应力满足《钢结构设计规范》。由模型直接计算得其最大组合应力74 MPa，钢管桩强度满足规范要求。

4.2 高水位下栈桥正常使用计算结果

高水位情况下，工况三栈桥渡洪正常使用计算结果为：经计算，受力最大钢管内力图如图4、图5。

图4 高水位工况三钢管桩弯矩图（单位：kN·m）

图5 高水位工况三钢管桩轴力图（单位：kN）

由模型上直接查钢管应力最大值：57 MPa；连接系应力图最大值：83 MPa；栈桥最大横向位移68 mm。钢管桩及连接系最大组合应力83 MPa，容许应力170 MPa，满足规范要求。

4.3 洪水位下栈桥渡洪计算结果

在洪水来临之前，要求栈桥按图纸要求同钢护筒连接，在洪水期，要求栈桥停止作业，禁止人员和设备上栈桥，工况四栈桥渡洪工况计算结果如下：经计算，受力最大钢管内力图如图6、图7。

图6 洪水位工况四钢管桩弯矩图（单位：kN·m）

图7 洪水位工况四钢管桩轴力图（单位：kN）

由模型上直接查钢管应力最大值：102.8 MPa；连接系应力最大值：153 MPa；栈桥最大横向位移136 mm；最大竖向反力518 kN。钢管桩及连接系最大组合应力153 MPa，容许应力170 MPa，满足规范要求。

4.4 低水位下平台正常使用计算结果

4.4.1 工况一计算结果

自重+低水位水流荷载+风荷载（平台未与护筒连接），此工况仅计算钢管桩及连接系受力。

图8 低水位工况一钢管桩弯矩图（单位：kN·m）

图9 低水位工况一钢管桩轴力图（单位：kN）

由模型上直接查钢管桩应力图最大值：36.5 MPa；连接系应力图最大值：45.5 MPa；平台最大横向位移45 mm；最大竖向反力252 kN。从计算结果可知，钢管桩及连接系最大组合应力45.5 MPa，允许应力170 MPa，满足规范要求。

4.4.2 工况二计算结果

自重+履带吊吊装作业（平台未与护筒连接）。

4.4.2.1 横向分配梁计算结果

由计算可知，横向分配梁最大弯矩357 kN·m，最大剪力239 kN，横向分配梁由2根HN500×200的型钢组合而成，其截面特性满足要求。

4.4.2.2 纵向分配梁计算结果

由计算可知，纵向分配梁最大弯矩393 kN·m，最大剪力529 kN，纵向分配梁由3根HN500×200的型钢组合而成，其截面特性满足要求。

4.4.3 工况三计算结果

自重+6台钻机+低水位水流荷载+混凝土罐车荷载（平台未与护筒连接）。

4.4.3.1 横向分配梁计算结果

由计算可知，横向分配梁最大弯矩486 kN·m，最大剪力383 kN，横向分配梁由2根HN500×200的型钢组合而成，其截面特性满足要求。

4.4.3.2 纵向分配梁计算结果

由计算可知，纵向分配梁最大弯矩916 kN·m，最大剪力1 072 kN，纵向分配梁由3根HN500×200的型钢组合而成，其截面特性满足要求。

4.4.3.3 钢管桩计算结果

由计算可知，横向分配梁最大弯矩134.2 kN·m，最大剪力1 457.5 kN，截面特性满足要求。

4.5 高水位下平台使用工况计算结果

a）工况四计算结果 自重+6台钻机+高水位水流荷载+混凝土罐车荷载（平台与护筒连接）。

b）钢管桩计算结果 由计算钢管的最大轴力N=1 458 kN，最大弯矩246 kN·m，按照《钢结构设计规范》其稳定计算应力满足规范要求。

4.6 洪水位下平台渡洪计算结果

a）工况五计算结果 自重+6台钻机+洪水位水流荷载（平台与护筒连接），工况四渡洪主要计算水平荷载，因此仅给出受水平荷载影响的构件结果。

b）钢管桩计算结果 由计算钢管的最大轴力N=1 458 kN，最大弯矩386 kN·m，按照《钢结构设计规范》其稳定计算应力满足规范要求。

5 结论

在桥梁的建设过程中，经常为了解决深水中施工桩基的难题，需要搭设水中钻孔平台和栈桥。通过建立三维有限元仿真计算模型，分析钻孔平台和栈桥构件受力情况，探讨施工过程中钻孔平台和栈桥存在的薄弱点，对保证水上施工平台和栈桥的建造以及建成后营运安全非常重要[2]。

a）通过对施工平台的计算可知，该种钻孔平台与栈桥组合结构强度、刚度及稳定性均较好，可满足工程应用要求。

b）钻孔平台与栈桥结合，可以很好地提升结构稳定性，增强了该结构在恶劣自然环境下的适应性。

c）单根钢管桩下沉就位时受水流冲击力的影响大，此阶段施工时应选择江水潮位较低、水流速度较慢的平潮期进行，这样有利于钢管桩的正确定位。

d）通过本文计算可知，钻孔平台及栈桥等临时结构在洪水水流荷载作用下水平位移较大，故这类水上结构采用桩基等固定基础时，要求基础必须满足各常见工况下荷载作用，以确保结构安全可靠。