大跨度桥梁深水钻孔平台分析

李俊松

(四川智通路桥工程技术有限责任公司，四川成都 61000)

1 概述

渠江特大桥位于广安市岳池县中和镇与罗渡镇之间，是巴中至广安高速公路跨越渠江的一座特大桥。其主桥跨径组成85 m+160 m+85 m连续刚构桥。其中4#、5#主墩在水中，水中桩基共24根，平均水深约17.5 m。该桥河床底为砂岩，考虑施工工期、钢管打插难易程度等因素，桩基础施工采用钢护筒支撑钻孔平台的施工方案。采用振动锤辅助钢护筒下沉至岩层，并在河床底部下放矮沉箱、浇筑板筏，再对钢护筒进行整体连接并在其上搭设钻孔平台(图1)。

2 钻孔平台结构构造

钻孔平台由钢护筒、纵横平联系、斜撑等部分组成。钢护筒为钻孔平台的主要受力结构。钢护筒设计直径应比钻孔灌注桩的直径大20～30 cm。纵横向联系包括钢管桩间的联系、护筒间的联系以及钢管桩与护筒间的联系。横向联系起着保证钻孔平台横向稳定性。本桥桩基直径为2 500 mm。施工平台采用桩基φ2 700×22 mm钢管桩，钢护筒分为顶端段、标准段、刃脚段分别进行加工。采用2[32B槽钢作横纵平联连接所有钢护筒，再用[16作斜撑,然后在钢护筒的牛腿上布设钻孔平台(图2、图3)。

图2 钻孔平台平面尺寸

图3 钻孔平台剖面尺寸(横桥向)

3 钻孔平台施工工艺要点

(1)每根护筒安装顺序：刃脚段护筒吊运—各标准段护筒吊运及拼装—顶端段护筒吊运及拼装—护筒拼装完成后整体下放—护筒位置调整及锁定—进入护筒横撑及牛腿焊接。

(2)护筒的导向架：护筒下放时的导向通过在操作平台上的I45B工字钢进行确定。限位上横杆采用I25B工字钢，设置于操作平台主梁顶面。

(3)钢护筒在定位完成后需进行振动下沉。采用VM4500型振动锤，其最大激振力为870 kN，机身重量12 t。在钢护筒位置确定后，在护筒顶安装夹具及振动锤，夹紧护筒后，放松吊点开始振动。

(4)钢护筒横向平联设计为2[32B槽钢，两端均焊接于同一横轴线上的相邻纵牛腿中肋板上，两槽钢背向设置，以便焊接。

(5)钢护筒联接系统施工完毕、钢沉箱下放后依次进行平台纵向主梁、横向主梁、分配梁的安装，纵、横向主梁均为I45B工字钢，分配梁为I25B工字钢，均由运输船运输到位，使用龙门吊进行安装。

(6)给横向主梁安装到位后，在钢平台四角拉设下拉缆，下拉缆的锚碇同导向船锚碇，锚绳同边锚锚绳。拉缆收锚采用5 t手拉葫芦。

4 钻孔平台有限元模型建立及结果分析

4.1 整体模型

根据平台尺寸,采用有限元计算软件Midas Civil建立的钻孔平台有限元模型如图4所示。

图4 钻孔平台有限元计算模型

钢护筒直径2.7 m，采用厚度为22 mm钢板卷制而成，加强箍厚度为12 mm,与钢护筒焊接在一起，护筒间纵横连接系采用2根型号32B槽钢，护筒间斜撑采用2根型号16A槽钢，平台分配梁采用I25B工字钢，平台纵、横梁采用I45B工字钢，并与护筒上的牛腿支架连接在一起。

4.2 约束及边界条件

实际工程中钻孔平台各钢构件之间均采用焊接，故在建立Midas有限元模型时将这些构件间的连接均处理为刚性连接，包括钢管粧和横梁间的连接、横梁和纵向分配梁间的连接、托架连接以及钢管桩之间的连接等。

平台结构中的钢管桩、钢护筒和河床地基土之间的相互作用很复杂，考虑到本工程主要分析的是平台上部结构的力学性能，故此处采用假想嵌固点的方法，在河床泥底面以下一定深度处认为平台粧完全嵌固，在Midas有限元模型中将钢护筒底部的边界条件设置为固接。

4.3 钻孔平台静力

(1)垂直荷载

计算荷载主要包括平台各构件自重和钻孔机荷载，拟选用正循环冲击钻机，每台钻机占用面积约15 m2中，钻孔支架重10 t，冲锤重约8 t。考虑钻机中心距桩中心距离3.5 m

(2)动力压力

承重钢管最大吃水深度为315 mm，按下式计算吊箱所受的水流冲击力：

F=K(γV2/2g)A(kN)

(3)风荷载

钢管露出水面高度按400 mm计,桥面系折算高度按100 mm计。

Fwh=k0k1k3WdAwh

考虑最不利荷载作用：来流水压力、风荷载、自重以及平台上钻机重。

4.4 钻孔平台静力分析

(1)钢护筒应力结果

钢护筒应力结果如图5所示。

图5 钢护筒正应力

从上图可以看出，钢护筒斜撑的最大的最大值发生在下游侧最后一排钢护筒底端处，最大值38.09 MPa<215 MPa；钢护筒轴应力均较小，应力值均满足要求。

(2)纵向分配梁的应力结果

从图6中可看出平台分配梁最大正应力36.35 MPa<215 MPa，从图7可看出最大剪应力6.6 MPa<125 MPa，故平台纵向分配梁的正应力和剪应力均满足要求。

图6 纵向分配梁的正应力

图7 纵向分配梁的剪应力

(3)钢护筒斜撑应力结果

从图8可以看出，钢护筒斜撑的最大正应力值73.58 MPa<215 MPa；最大轴应力值64.59 MPa<190 MPa从分析可知钢护筒斜撑的应力分布主要受水平方向作用力影响较大，依据计算结果可知构件应力值均满足要求。

图8 纵向分配梁的剪应力

(4)钢护筒变形结果

钢护筒的变形如图9所示，从图中可知其最大变形为管径方向的9.59 mm，而已知钢护筒的厚度为22 mm，该最大变形不超过钢护筒壁厚，可知，其对钢护筒形状影响很小，可以忽略不计，故满足使用要求。

图9 钢护筒变形

5 钻孔平台有稳定性分析

本文运用大型有限元分析软件MIDAS计算了多种荷载工况下不同模式的施工平台的稳定系数及失稳模态。最后选取两种最不利工况下结构的稳定性进行分析，即：考虑最不利荷载作用：来流水压力、风荷载、自重以及平台上钻机重，分类两种荷载工况进行分析。荷载工况一：上述最不得荷载组合，其中钻机位于上河流上游侧；荷载工况二：上述最不得荷载组合，其中钻机位于河流下游侧。

(1)钻孔平台稳定性分析结果

钻孔平台第一阶失稳模态分别如图10、图11所示。

图10 第一阶失稳模态(工况一)

图11 第一阶失稳模态(工况二)

从以上失稳模态分析可知，钢护筒平台结构体系的第一阶失稳系数为4.18，与结构的整体稳定性较好，由图中可知前五阶失稳主要均是发生护筒间的横向连接系构件失稳，说明此连接系相对平台整体的刚度相对较弱，这与前述的平台静力分析与动力特性分析结果较吻合。两种荷载工况下平台结构的失稳模态相同，失稳系数差异不大，说明了平台上钻机作用位置对平台失稳影响不太明显。

(2)钢丝绳+地锚对平台稳定性的影响

为了进一步分析增加钢丝绳+地锚对平台稳定性的影响，分别分析对应工况下增加钢丝绳+地锚后平台结构的失稳模态，两种最不利工况下的结构失稳模态图如图12、图13所示。

图12 第一阶失稳模态(工况一)

图13 第一阶失稳模态(工况二)

从增加钢丝绳+地锚后平台失稳模态分析可知，钢护筒平台结构体系的第一阶失稳系数为4.7，较原来平台系统有明显提高，说明增加钢丝绳+地锚可以在一定程度上提高平台的稳定性。由图中可知前五阶失稳仍然主要均是发生护筒间的横向连接系构件失稳，说明此连接系相对平台整体的刚度相对较弱，这与前述的平台静力分析与动力特性分析结果较吻合。两种荷载工况下平台结构的失稳模态相同，失稳系数差异不大，说明了平台上钻机作用位置对平台失稳影响不太明显。

6 结论

根据平台结构的实际构件以及连接方式，利用MIDAS软件对钢护筒平台建立有限元模型，并进行多种荷载工况下的静力分析，动力分析以及稳定性分析可知：

(1)简单介绍了大跨度桥梁深水桩基础施工桩孔平台的结构构造和施工工艺要点。

(2)通过有限元计算得到钻孔平台各构件的静力分析结果，计算结果表明，该平台结构在采用指定冲击钻进行施工时，平台的各构件承载能力可以满足要求，平台的变形在允许范围之内，平台结构具有一定的安全储备。

(3)通过对钻孔平台结构的稳定性分析可知，体系的第一阶失稳系数为4.18，与结构的整体稳定性较好，前五阶失稳主要均是发生护筒间的横向连接系构件失稳，说明此连接系相对平台整体的刚度相对较弱，从增加钢丝绳+地锚后平 台失稳模态分析可知，钢护筒平台结构体系的第一阶失稳系数为4.7，较原来平台系统有明显提高，说明增加钢丝绳+地锚可以在一定程度上提高平台的稳定性。