論橋梁建設(shè)中浮式平臺(tái)水深變化時(shí)的動(dòng)力分析

程鈺龍 萬(wàn)培

摘要 文章旨在研究橋梁于深水區(qū)域搭建時(shí)，傳統(tǒng)的固定施工平臺(tái)可能無(wú)法滿足施工的要求。從施工平臺(tái)的發(fā)展以及運(yùn)用進(jìn)行研究，理清固定平臺(tái)以及浮式平臺(tái)兩方的優(yōu)缺點(diǎn)。另外計(jì)算浮式平臺(tái)在施工時(shí)外力荷載影響下，浮式平臺(tái)因此產(chǎn)生的位移偏位，得出對(duì)應(yīng)錨桿伸縮量的計(jì)算公式。研究了改變水域水位的情況下，浮式平臺(tái)發(fā)生的偏移以及對(duì)應(yīng)方法，得出卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)應(yīng)收放錨繩的長(zhǎng)度，用以及時(shí)迅速地回正浮式平臺(tái)的偏移，保障施工順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞 浮式平臺(tái);橋梁;錨繩;受力分析

中圖分類號(hào) U445.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）02-0084-04

0 引言

當(dāng)橋梁設(shè)計(jì)跨越較深水域時(shí)，受防汛、通航等多種條件影響，通常會(huì)采取使用大直徑鉆孔灌注樁作為橋梁的樁基礎(chǔ)，同時(shí)設(shè)立臨時(shí)平臺(tái)方便施工。在部分特殊情況下，固定平臺(tái)無(wú)法起到預(yù)期的作用，需要使用浮式平臺(tái)提供施工條件，該文對(duì)浮式施工平臺(tái)進(jìn)行研究。

1 課題意義

1.1 課題提出背景

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，橋梁建設(shè)遍布各省各市，淺水區(qū)域的橋梁施工方法隨著各地橋梁的建設(shè)基本完善。然而當(dāng)橋梁跨越深水區(qū)域，插打樁基時(shí)會(huì)受到外界水流、風(fēng)力以及航線通航等各個(gè)因素影響，對(duì)施工造成不少的阻礙。為了減少外界對(duì)橋梁施工的影響、保障橋梁施工的正常進(jìn)行，一般會(huì)搭設(shè)臨時(shí)的施工平臺(tái)來(lái)保障施工條件，確保能在工期內(nèi)完成施工。

施工平臺(tái)可以分為兩類：固定施工平臺(tái)和浮式施工平臺(tái)。固定施工平臺(tái)通常以插打入巖的鋼管樁作為基礎(chǔ)，在其上組裝上部結(jié)構(gòu)形成一個(gè)可供施工的平臺(tái)，固定施工平臺(tái)技術(shù)要求較低，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣。浮式平臺(tái)則與之相差較大，放棄了用插打入巖的鋼管樁作為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)而使用錨泊船或浮箱作為底座，在其上布置施工設(shè)備，組成漂浮于水面的施工平臺(tái)。

固定平臺(tái)技術(shù)在我國(guó)已發(fā)展成熟且廣泛運(yùn)用于各個(gè)項(xiàng)目，但在實(shí)際運(yùn)用上，它與浮式平臺(tái)也是各有優(yōu)劣。固定平臺(tái)有著較為繁瑣的搭設(shè)工序，需要完成定位樁的插打穩(wěn)定，而后進(jìn)行施工，同樣拆除時(shí)也需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)一一拆卸固定平臺(tái)的各個(gè)組成部分，增加了施工的時(shí)間。除此之外，在較深水域，定位樁樁長(zhǎng)增加必定增加工程費(fèi)用消耗，而在確保橋梁工程質(zhì)量的情況下，也需要兼顧施工時(shí)間與費(fèi)用問(wèn)題。

不同于固定平臺(tái)需要插打鋼管樁、組裝平臺(tái)上部，浮式平臺(tái)的搭設(shè)工序則要簡(jiǎn)單許多，也有獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。浮式平臺(tái)無(wú)需定位樁固定位置，搭設(shè)更為便利，可利用浮體直接在施工區(qū)域進(jìn)行搭設(shè);浮體多使用錨泊船或是浮箱，可循環(huán)重復(fù)利用;在提供了足夠約束力時(shí)，浮式平臺(tái)即使受到水流力或是水位變化時(shí)，也可以提供完善的施工條件，保障施工進(jìn)度不受影響。當(dāng)然，浮式平臺(tái)也存在不少缺點(diǎn)，主要為以下幾點(diǎn)：需要占據(jù)較大的水域進(jìn)行作業(yè)，可能影響航線通航;浮式平臺(tái)穩(wěn)定性不恒定，水流速度變化的同時(shí)浮式平臺(tái)的穩(wěn)定性也會(huì)發(fā)生改變;受到多個(gè)外界荷載的作用力和平臺(tái)上插打定位樁的作用力，浮式平臺(tái)會(huì)發(fā)生搖擺，可能導(dǎo)致影響樁基定位的準(zhǔn)確性。

隨著更多未施工深水水域的開發(fā)，橋梁施工建設(shè)技術(shù)需求也逐漸提升，隨之也產(chǎn)生了固定平臺(tái)難以解決的問(wèn)題，而能夠適應(yīng)水位變化和水深變化的浮式平臺(tái)在深水區(qū)域作為施工平臺(tái)就有著很大的優(yōu)點(diǎn)。但如何讓浮式平臺(tái)能在風(fēng)浪荷載以及施工時(shí)鉆機(jī)的作用力下，能夠保持平臺(tái)的穩(wěn)定性，以及受其他各項(xiàng)因素影響下浮式平臺(tái)偏位后如何快速準(zhǔn)確返回平衡位置，這些都需要進(jìn)行進(jìn)一步的分析計(jì)算。浮式施工平臺(tái)由浮橋和海洋鉆井平臺(tái)發(fā)展而來(lái)，繼承了它們的特點(diǎn)，但在細(xì)節(jié)上進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新。研究如何使用浮式平臺(tái)作為施工平臺(tái)時(shí)，更應(yīng)該從保障橋梁施工的穩(wěn)定性與安全性入手，分析浮式平臺(tái)工作時(shí)的受力以及如何對(duì)應(yīng)調(diào)整。

1.2 施工平臺(tái)的分類

施工平臺(tái)是為保障深水樁基礎(chǔ)施工不受外界因素影響，為其提供用以作業(yè)的施工場(chǎng)所，平臺(tái)的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)需要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的外界條件（水文、地質(zhì)、氣象等）以及施工要求來(lái)確定。現(xiàn)場(chǎng)施工條件各有不同導(dǎo)致形形色色的施工平臺(tái)類型產(chǎn)生，但在總體上來(lái)說(shuō)，深水樁基施工平臺(tái)通常分為固定施工平臺(tái)和浮式施工平臺(tái)。我國(guó)國(guó)內(nèi)部分深水樁基固定施工平臺(tái)實(shí)例見(jiàn)表1。

1.3 主要研究?jī)?nèi)容

該文以肇明高速楊梅西江特大橋?yàn)檠芯勘尘埃槍?duì)通航數(shù)量較多、一年內(nèi)枯水洪水期水流量、水位變化大的情況，必須搭設(shè)浮式平臺(tái)利于水中墩施工。對(duì)浮式平臺(tái)在外界因素變化的情況下作出深入分析，主要研究方向如下：

（1）分析了固定平臺(tái)以及浮式平臺(tái)各自的優(yōu)劣，分析了國(guó)內(nèi)深水樁基礎(chǔ)平臺(tái)的實(shí)例。

（2）以肇慶肇明高速楊梅西江特大橋搭設(shè)的浮式平臺(tái)作為例子，對(duì)浮式施工平臺(tái)在水文條件變化的情況下進(jìn)行受力分析，計(jì)算出錨定系統(tǒng)受影響下如何做出調(diào)整。

2 浮式平臺(tái)受力分析

2.1 工程概況

浮式平臺(tái)由2艘（50×11.5）m貨船和雙層12排貝雷梁拼接而成，拼接后平臺(tái)平面尺寸為（50×40）m，浮式平臺(tái)承受豎向荷載228 t。浮式平臺(tái)上游設(shè)置定位錨2個(gè)（0.9 t），通過(guò)錨的系留力實(shí)現(xiàn)船的固定，并通過(guò)調(diào)節(jié)錨鏈鋼絲繩來(lái)適應(yīng)水位的變化。

2.2 錨繩懸垂線方程推導(dǎo)及受力分析

2.2.1 單獨(dú)錨繩張力計(jì)算

浮式平臺(tái)錨繩連接著浮體錨定于河床O點(diǎn)懸垂于水中，因此使用懸垂線的形式來(lái)進(jìn)行受力分析，同時(shí)利用懸垂線方程計(jì)算錨繩受力情況。浮式平臺(tái)是依靠錨碇系統(tǒng)的錨繩與錨碇來(lái)進(jìn)行固定的，因此，假定錨碇始終處于固定狀態(tài)沒(méi)有起錨角，對(duì)此狀態(tài)下錨繩的極限受力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析[2]。

如圖1所示，設(shè)浮式平臺(tái)水域水深H，O點(diǎn)與浮體之間用錨繩連接，水流力對(duì)浮箱作用力大小為F。假設(shè)錨泊線始終位于一個(gè)空間平面內(nèi)，不考慮其變形：錨繩的懸垂長(zhǎng)度為L(zhǎng)，錨繩在水中的線密度設(shè)為W，錨繩的張拉力為Ts，坐標(biāo)原點(diǎn)取在錨繩與水底的切點(diǎn)O處。

計(jì)算出的公式可以得出：錨繩所受作用力為錨繩自身質(zhì)量以及浮體所受水平力的總和。利用上述推導(dǎo)所得出的方程，在傾角φ、錨繩線單位長(zhǎng)度重量W、水流力（水平荷載）F、錨繩長(zhǎng)度L、錨泊線上端張力Ts、施工區(qū)域水深H和錨繩兩端水平距離S這7個(gè)變量中只要已知其中任意3個(gè)變量的值，即可得出其余4個(gè)變量。

2.2.2 兩根錨繩形式錨繩的張力計(jì)算

假設(shè)在水平底面，一側(cè)錨繩所在區(qū)域水深為H1，另一側(cè)錨繩所在區(qū)域水深為H2，這兩根錨繩分別在水底固定于在O1點(diǎn)與O2點(diǎn)，浮箱受到的水平水流力為F。假設(shè)錨泊線始終位于一個(gè)空間平面內(nèi)，不考慮其變形;錨繩的懸垂長(zhǎng)度為L(zhǎng)1與L2，錨繩在水中的線密度設(shè)為W，錨繩的張拉力為T與T2，坐標(biāo)原點(diǎn)取在錨繩與水底的切點(diǎn)O2處，浮體的重力為G，所產(chǎn)生的浮力為f，示意如圖4所示。

對(duì)整個(gè)浮體進(jìn)行受力分析如圖5所示，得到：

2.3 浮式平臺(tái)錨碇系統(tǒng)移位糾偏公式推導(dǎo)

2.3.1 單錨繩錨碇系統(tǒng)的糾偏計(jì)算

錨繩、錨碇和卷?yè)P(yáng)機(jī)組成了浮式平臺(tái)的移位系統(tǒng)。施工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的施工荷載，還有風(fēng)力以及水流力等外界荷載，會(huì)作用于浮式平臺(tái)上，影響浮式平臺(tái)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致浮式平臺(tái)發(fā)生偏移，偏離初始的平衡位置。因此浮式平臺(tái)需要調(diào)整位置，使自身重新回到平衡位置。浮式平臺(tái)的調(diào)整就是靠卷?yè)P(yáng)機(jī)收放錨繩的長(zhǎng)度使其回到初始平衡位置，因此，浮式平臺(tái)的糾偏就是通過(guò)其偏位求出錨繩的收放量，從而達(dá)到糾偏的目的[3]。

如圖6所示，對(duì)單錨繩設(shè)錨碇系統(tǒng)進(jìn)行受力分析。浮式平臺(tái)在受到的水平力為F，錨繩初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，發(fā)生偏移后的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，錨繩的線密度為W，錨繩初始水平距離為S0，發(fā)生偏移后的水平距離為S1，施工區(qū)域水深為H。

以上方程表明，浮體在受到F水平作用力時(shí)，可由上式計(jì)算出發(fā)生的最大水平位移為ΔS，繼而可由水平位移計(jì)算出浮式平臺(tái)回到初始平衡位置需要錨繩應(yīng)該收放的長(zhǎng)度ΔL。

3 結(jié)論

（1）使用單根錨繩時(shí)，可使用以下4個(gè)方程

、、、，只要已知7個(gè)變量中任意3個(gè)變量的值，即可得出其余4個(gè)變量。

（2）使用兩根錨繩時(shí)可用以下方程求解。

（30）

（31）

（3）浮體發(fā)生偏移時(shí)，可由浮式平臺(tái)所受水流力大小計(jì)算出平臺(tái)的最大水平位移S，接著由平臺(tái)最大水平位移算出浮式平臺(tái)回到初始平衡位置錨繩收放長(zhǎng)度ΔL。

（32）

（33）

參考文獻(xiàn)

[1]唐世江.橋梁施工浮式平臺(tái)的靜動(dòng)力分析[D].湖南：湘潭大學(xué)，2014.

[2]高瑞宏.深水樁基礎(chǔ)施工平臺(tái)專用鋼浮箱設(shè)計(jì)理論與方法及其工程應(yīng)用[D].湖南：湘潭大學(xué)，2013.

[3]林辰.浮式施工鉆孔平臺(tái)的特性及穩(wěn)定性分析[D].湖南：湖南科技大學(xué)，2018.