论桥梁建设中浮式平台水深变化时的动力分析

程钰龙 万培

摘要 文章旨在研究桥梁于深水区域搭建时，传统的固定施工平台可能无法满足施工的要求。从施工平台的发展以及运用进行研究，理清固定平台以及浮式平台两方的优缺点。另外计算浮式平台在施工时外力荷载影响下，浮式平台因此产生的位移偏位，得出对应锚杆伸缩量的计算公式。研究了改变水域水位的情况下，浮式平台发生的偏移以及对应方法，得出卷扬机对应收放锚绳的长度，用以及时迅速地回正浮式平台的偏移，保障施工顺利进行。

关键词 浮式平台;桥梁;锚绳;受力分析

中图分类号 U445.3 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0084-04

0 引言

当桥梁设计跨越较深水域时，受防汛、通航等多种条件影响，通常会采取使用大直径钻孔灌注桩作为桥梁的桩基础，同时设立临时平台方便施工。在部分特殊情况下，固定平台无法起到预期的作用，需要使用浮式平台提供施工条件，该文对浮式施工平台进行研究。

1 课题意义

1.1 课题提出背景

随着我国工业的发展，桥梁建设遍布各省各市，浅水区域的桥梁施工方法随着各地桥梁的建设基本完善。然而当桥梁跨越深水区域，插打桩基时会受到外界水流、风力以及航线通航等各个因素影响，对施工造成不少的阻碍。为了减少外界对桥梁施工的影响、保障桥梁施工的正常进行，一般会搭设临时的施工平台来保障施工条件，确保能在工期内完成施工。

施工平台可以分为两类：固定施工平台和浮式施工平台。固定施工平台通常以插打入岩的钢管桩作为基础，在其上组装上部结构形成一个可供施工的平台，固定施工平台技术要求较低，在国内应用较广。浮式平台则与之相差较大，放弃了用插打入岩的钢管桩作为基础，转而使用锚泊船或浮箱作为底座，在其上布置施工设备，组成漂浮于水面的施工平台。

固定平台技术在我国已发展成熟且广泛运用于各个项目，但在实际运用上，它与浮式平台也是各有优劣。固定平台有着较为繁琐的搭设工序，需要完成定位桩的插打稳定，而后进行施工，同样拆除时也需要较长时间来一一拆卸固定平台的各个组成部分，增加了施工的时间。除此之外，在较深水域，定位桩桩长增加必定增加工程费用消耗，而在确保桥梁工程质量的情况下，也需要兼顾施工时间与费用问题。

不同于固定平台需要插打钢管桩、组装平台上部，浮式平台的搭设工序则要简单许多，也有独有的优点。浮式平台无需定位桩固定位置，搭设更为便利，可利用浮体直接在施工区域进行搭设;浮体多使用锚泊船或是浮箱，可循环重复利用;在提供了足够约束力时，浮式平台即使受到水流力或是水位变化时，也可以提供完善的施工条件，保障施工进度不受影响。当然，浮式平台也存在不少缺点，主要为以下几点：需要占据较大的水域进行作业，可能影响航线通航;浮式平台稳定性不恒定，水流速度变化的同时浮式平台的稳定性也会发生改变;受到多个外界荷载的作用力和平台上插打定位桩的作用力，浮式平台会发生摇摆，可能导致影响桩基定位的准确性。

随着更多未施工深水水域的开发，桥梁施工建设技术需求也逐渐提升，随之也产生了固定平台难以解决的问题，而能够适应水位变化和水深变化的浮式平台在深水区域作为施工平台就有着很大的优点。但如何让浮式平台能在风浪荷载以及施工时钻机的作用力下，能够保持平台的稳定性，以及受其他各项因素影响下浮式平台偏位后如何快速准确返回平衡位置，这些都需要进行进一步的分析计算。浮式施工平台由浮桥和海洋钻井平台发展而来，继承了它们的特点，但在细节上进行了改进与创新。研究如何使用浮式平台作为施工平台时，更应该从保障桥梁施工的稳定性与安全性入手，分析浮式平台工作时的受力以及如何对应调整。

1.2 施工平台的分类

施工平台是为保障深水桩基础施工不受外界因素影响，为其提供用以作业的施工场所，平台的类型、结构特点需要根据施工现场的外界条件（水文、地质、气象等）以及施工要求来确定。现场施工条件各有不同导致形形色色的施工平台类型产生，但在总体上来说，深水桩基施工平台通常分为固定施工平台和浮式施工平台。我国国内部分深水桩基固定施工平台实例见表1。

1.3 主要研究内容

该文以肇明高速杨梅西江特大桥为研究背景，针对通航数量较多、一年内枯水洪水期水流量、水位变化大的情况，必须搭设浮式平台利于水中墩施工。对浮式平台在外界因素变化的情况下作出深入分析，主要研究方向如下：

（1）分析了固定平台以及浮式平台各自的优劣，分析了国内深水桩基础平台的实例。

（2）以肇庆肇明高速杨梅西江特大桥搭设的浮式平台作为例子，对浮式施工平台在水文条件变化的情况下进行受力分析，计算出锚定系统受影响下如何做出调整。

2 浮式平台受力分析

2.1 工程概况

浮式平台由2艘（50×11.5）m货船和双层12排贝雷梁拼接而成，拼接后平台平面尺寸为（50×40）m，浮式平台承受竖向荷载228 t。浮式平台上游设置定位锚2个（0.9 t），通过锚的系留力实现船的固定，并通过调节锚链钢丝绳来适应水位的变化。

2.2 锚绳悬垂线方程推导及受力分析

2.2.1 单独锚绳张力计算

浮式平台锚绳连接着浮体锚定于河床O点悬垂于水中，因此使用悬垂线的形式来进行受力分析，同时利用悬垂线方程计算锚绳受力情况。浮式平台是依靠锚碇系统的锚绳与錨碇来进行固定的，因此，假定锚碇始终处于固定状态没有起锚角，对此状态下锚绳的极限受力状态进行计算分析[2]。

如图1所示，设浮式平台水域水深H，O点与浮体之间用锚绳连接，水流力对浮箱作用力大小为F。假设锚泊线始终位于一个空间平面内，不考虑其变形：锚绳的悬垂长度为L，锚绳在水中的线密度设为W，锚绳的张拉力为Ts，坐标原点取在锚绳与水底的切点O处。

计算出的公式可以得出：锚绳所受作用力为锚绳自身质量以及浮体所受水平力的总和。利用上述推导所得出的方程，在倾角φ、锚绳线单位长度重量W、水流力（水平荷载）F、锚绳长度L、锚泊线上端张力Ts、施工区域水深H和锚绳两端水平距离S这7个变量中只要已知其中任意3个变量的值，即可得出其余4个变量。

2.2.2 两根锚绳形式锚绳的张力计算

假设在水平底面，一侧锚绳所在区域水深为H1，另一侧锚绳所在区域水深为H2，这两根锚绳分别在水底固定于在O1点与O2点，浮箱受到的水平水流力为F。假设锚泊线始终位于一个空间平面内，不考虑其变形;锚绳的悬垂长度为L1与L2，锚绳在水中的线密度设为W，锚绳的张拉力为T与T2，坐标原点取在锚绳与水底的切点O2处，浮体的重力为G，所产生的浮力为f，示意如图4所示。

對整个浮体进行受力分析如图5所示，得到：

2.3 浮式平台锚碇系统移位纠偏公式推导

2.3.1 单锚绳锚碇系统的纠偏计算

锚绳、锚碇和卷扬机组成了浮式平台的移位系统。施工时，会产生对应的施工荷载，还有风力以及水流力等外界荷载，会作用于浮式平台上，影响浮式平台的稳定性，导致浮式平台发生偏移，偏离初始的平衡位置。因此浮式平台需要调整位置，使自身重新回到平衡位置。浮式平台的调整就是靠卷扬机收放锚绳的长度使其回到初始平衡位置，因此，浮式平台的纠偏就是通过其偏位求出锚绳的收放量，从而达到纠偏的目的[3]。

如图6所示，对单锚绳设锚碇系统进行受力分析。浮式平台在受到的水平力为F，锚绳初始长度为L0，发生偏移后的长度为L1，锚绳的线密度为W，锚绳初始水平距离为S0，发生偏移后的水平距离为S1，施工区域水深为H。

以上方程表明，浮体在受到F水平作用力时，可由上式计算出发生的最大水平位移为ΔS，继而可由水平位移计算出浮式平台回到初始平衡位置需要锚绳应该收放的长度ΔL。

3 结论

（1）使用单根锚绳时，可使用以下4个方程

、、、，只要已知7个变量中任意3个变量的值，即可得出其余4个变量。

（2）使用两根锚绳时可用以下方程求解。

（30）

（31）

（3）浮体发生偏移时，可由浮式平台所受水流力大小计算出平台的最大水平位移S，接着由平台最大水平位移算出浮式平台回到初始平衡位置锚绳收放长度ΔL。

（32）

（33）

参考文献

[1]唐世江.桥梁施工浮式平台的静动力分析[D].湖南：湘潭大学，2014.

[2]高瑞宏.深水桩基础施工平台专用钢浮箱设计理论与方法及其工程应用[D].湖南：湘潭大学，2013.

[3]林辰.浮式施工钻孔平台的特性及稳定性分析[D].湖南：湖南科技大学，2018.