复杂山区深水桩基冲孔平台设计及有限元分析

摘 要：以泸定至石棉高速公路的桥梁工程为依托，利用Midas/Civil软件按照移动荷载、冲击荷载综合分析法对桩基冲孔平台进行设计及分析。通过介绍建模过程，对平台结构在桩基冲击钻作用以及履带吊吊装施工下的刚度、强度、整体稳定性以及自振情况进行分析，得出平台在实际使用过程中会发生的不利工况，采用有限元模型模拟吊车在移动过程中的最不利工况，指导现场施工。

关键词：桥梁工程；桩基施工；水中平台；结构分析；Midas

中图分类号：U442 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0126-04

Abstract： Based on the bridge project of the Luding-Shimian Expressway， Midas/Civil software was used to design and analyze the pile foundation punching platform using the comprehensive analysis method of moving load and impact load. By introducing the modeling process， this paper analyzes the stiffness， strength， overall stability， and natural vibration of the platform structure under pile foundation impact drilling and crawler crane lifting construction. The adverse working conditions that may occur during the actual use of the platform are identified. The finite element model is used to simulate the most unfavorable working conditions of the crane during movement， so as to provide guidance for on-site construction.

Keywords： bridge engineering; pile foundation construction; underwater platform; structural analysis; Midas

随着近些年来我国基础设施建设的全面深化，桥梁施工的地形也越来越复杂，尤其在地质复杂的山区，桥隧占比普遍较高，并且制约桥梁施工工期的控制节点就是桩基施工，特别是深水桩基的施工尤其重要。深水桩基施工通常通过搭设钢平台的方法进行施工，钢平台以插打钢护筒作为平台的基础，但此法施工周期较长，为解决这一难题，本文通过深水桩基的钢护筒作为平台基础既可以节省工期也能节约钢护筒所需要的材料。本文基于Midas/Civil有限元软件，以泸石高速得妥特大桥的深水桩基施工为依托，采用有限元模型模拟桩基施工中的不利工况，提出一种适用于平台施工的结构，为保障深水桩基的施工起到深远的影响意义。

1 工程概况

泸（定）石（棉）高速得妥特大桥位于得妥镇繁荣村和北头村境内，为跨越大渡河而设。桥梁主跨采用4×72 m+5×70 m钢箱梁简支梁桥，起止桩号：K45+610～K47+128，桥梁全长1 518 m。其主墩采用桁式墩（9#、10#、11#墩处于河道内，如图1所示），为钢管混凝土墩，墩台采用无承台桩基础。

2 钢平台设计

结合施工现场9#、10#、11#墩的位置，冲孔平台平台设置于桥墩位，为减少钢材的用量以及节省工期，减少后期施工完成拆除的工作量，本方案采用钢护筒独立支撑方式搭设平台，如图2所示，这样既有效利用了冲孔所需要的永久性钢护筒，又减少了插打钢管桩搭设平台的过程。平台尺寸为10 m×25.5 m，钢护筒打入河床应大于9 m，护筒采用Φ2 200 mm×22 mm钢板，在钢护筒四周先焊接牛腿，再在牛腿上搭设一层45b工字钢作为承重型钢，再在承重工字钢上沿顺桥向搭设一层I45b工字钢纵梁，I45b纵梁工字钢上再沿横桥向设置I25b工字钢分配梁间距40 cm，分配梁上焊接8 mm花纹钢板作为桥面板；为加强支架整体性，在承重工字钢下，沿横桥向外侧钢护筒外侧设置I45b加强梁，与承重梁焊接；钢护筒横桥向间设置I45b工字钢平联，[20槽钢斜撑。这样的平台设计摒弃了以往需要用钢管桩加贝雷梁来搭设钢平台的方式，大大节省了工期并且节约了材料减少了平台自重。

3 钢平台受力计算

3.1 设计参数及材料强度

钢材。所用钢板、钢筋及型钢均为Q235b钢材，其密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.3，阻尼比为0.02，Q235b钢材的弹性模量取2.06×105 MPa。

3.2 荷载

1）自重。钢材容重按78.5 kN/m3，由程序自动计入。

2）吊重。吊重设备采用75 t履带吊机，自重加配重共75 t，接触面积为2×5 440×800 mm2。75 t履带吊机行走时速度不得大于5 km/h。履带吊机在钢平台上工作时最大吊重35 t。

3）冲击荷载。75 t履带吊最大行走速度按1 km/h计，即0.28 m/s，根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》，运行速度小于等于0.4 m/s，冲击系数取1.0。

4）冲击钻荷载。冲孔平台钻孔作业时，按4台机械同时工作，冲击钻长8 m，宽2.2 m，每台冲击钻按20 t计。

5）水流力。根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》规范第4.3.9规定，作用于前排钢护筒的水流压力：Fw前=47.6 kN，后排管水流压力为：Fw后=33.32 kN。流水压力的合力作用点假定设在设计水位线以下0.3倍水深处。

6）漂浮物荷载。漂浮物漂至钢护筒处，形成水头差，考虑漂浮物高1 m，宽3 m，在钢护筒顶部增加20 kN水平荷载。

7）风荷载。根据气象情况，桥区风速可达15 m/s，大风天气约10.5 d/a。按JTG/T 3360-01—2018《公路桥梁抗风设计规范》进行计算。

3.3 荷载组合

采用“承载能力极限状态设计法”进行荷载计算，按荷载的基本组合计算荷载组合的效应设计值。

3.4 冲孔平台计算模型

平台作为一种重要的大临设施，其设计验算准则：在工作状态下，应满足钻孔桩施工时的安全性和适用性的要求，并具有良好的安全储备；在非工作状态下，平台禁止车辆通行与施工作业，此时平台应能满足整体安全性的要求，允许出现局部可修复的损坏。冲孔平台分为吊装区和钻孔区，采用Midas计建立整体模型。计算模型如图3所示。

3.4.1 施工状态计算

此时按照冲孔钻机的节点荷载作用在平台上进行结构分析。

1）强度计算。在荷载组合作用下，冲孔平台各构件应力云图分别如图4—图7所示。

计算结果表明：横向分配梁I25b在冲击钻荷载作用下应力为34.8 MPa；纵梁I45b工字钢在冲击钻荷载作用下应力为85.4 MPa；桥面板8 mm花纹钢板在冲击钻荷载作用下应力为9.73 MPa；平台支撑基础钢护筒在冲击荷载以及水流力作用下应力为46.6 MPa。钢管支撑架构件最大组合应力为-85.4 MPa，出现在45b纵梁上，平台最大剪切应力为-10.9 MPa，出现在25b分配梁处，均小于钢材强度设计值，满足要求。

2）刚度计算。在荷载组合作用下，冲孔平台位移云图如图8和图9所示。

计算表明，在冲击钻机荷载、流水压力等作用下，冲孔平台纵向与横向位移均较小，竖向位移最大为-3.7 mm≤L/400=17.25 mm，横向位移最大为-13 mm≤L/400=50 mm，满足要求。

3）反力计算。在结构自重、水流荷载、冲击钻荷载作用下，并考虑安全系数后，钢管最大反力如图10所示。

计算表明，桩基最大反力为398.7 kN。

4）稳定性计算。将移动荷载产生的最大支点反力加载至钢护筒顶，与冲孔平台自重进行组合，对平台进行稳定性分析如图11所示。

一阶模态特征值为19.3，钢护筒稳定性满足要求。

根据以上计算结果显示，钢平台在冲击钻荷载作用下其刚度、强度及稳定性都能很好地满足使用要求。

3.4.2 护筒平台牛腿局部强度计算

冲孔平台牛腿采用2 cm钢板及双拼45b工字钢与钢护筒进行焊接，焊缝高度不小于8 mm，焊缝应饱满，为防止焊接残余应力损伤结构，控制焊接参数，采用预热和后热处理，合适的焊接顺序和方式，适当的焊接接头形式和填充材料，并且采用二氧化碳保护焊。护筒平台牛腿计算模型如图12和图13所示。

护筒平台牛腿受力的主要工况为冲击钻机在平台上冲孔作业，主要荷载为冲击钻机+结构自重。每个牛腿承受30 t荷载，并考虑冲击系数为1.3进行计算。

钢护筒的受力及变形情况如图14和图15所示。

结果显示，钢护筒与牛腿接触部位的最大组合应力为145 MPa，强度满足要求，位移变形值为7.2 mm，刚度满足要求。

4 结束语

钢护筒平台在作为深水桩基的施工平台时，该结构安全可靠，振感小，用料节约，实施情况好。该平台施工完成后在使用期间，没有出现过异常情况，施工车辆顺利通行，冲孔钻机能正常作业，稳定性满足要求。

1）针对深水桩基施工用钢平台采用移动荷载综合分析法更为科学，能快速分析出荷载作用的最不利工况位置，并根据分析结果，提出有效的优化设计方案。

2）该方法操作简单，按照该思路进行类似结构验算，尤其是单元较多、操作复杂的结构，其对于不具备较强结构力学能力的技术人员来说，同样能快速、准确地进行结构验算，有助于提高工作效率。

参考文献：

[1] 公路桥涵施工技术规范：JTG/T F50—2011[S].2011.

[2] 公路钢结构桥梁设计规范：JTG D64—2015[S].2015.

[3] 公路工程施工安全技术规范：JTG F90—2015[S].2015.

[4] 公路桥涵设计通用规范：JTG D60—2015[S].2015.

[5] 公路桥涵地基与基础设计规范：JTG D63—2007[S].2007.

[6] 钢结构设计标准：GB 50017—2017[S].2017.

[7] 建筑桩基技术规范：JGJ 94—2008[S].2008.

[8] 林木营，李丕陆，赵华立.基于ANSYS的钢结构平台优化设计[J].产业与科技论坛，2019，18（6）：52-53.

[9] 王志云.山区公路深水桥梁栈桥及平台设计与施工技术[J].福建建筑，2019（7）：73-77.