基于Midas Civil鉆孔鋼平臺結構設計與研究

肖冰 ?？蔀?/p>

(福建船政交通職業(yè)學院 土木工程學院，福建福州 350007)

近年來，隨著我國跨江、跨海、跨河橋梁建設的不斷增加，水上鉆孔鋼平臺被廣泛應用在各類橋梁深水基礎的施工過程中。鉆孔鋼平臺具有施工便捷、材料周轉方便、安全有保障等特點。但目前國內外有關鉆孔鋼平臺結構設計的系統(tǒng)研究方興未艾。張曉元等以蘇拉馬都跨海大橋為工程背景，介紹了海上施工平臺的設計思路、結構布置及施工方法[1]；呂江針對橋墩處水位較深，同時水下巖面覆蓋層較薄的情況，設計了由鋼管定位樁+分配梁+貝雷梁+平臺面板組成的水上鉆孔平臺[2]；王安等設計出鋼管樁聯合鋼護筒搭設施工作業(yè)平臺的施工方案[3]；嚴海寧等依托漳江灣特大橋及連接線工程，對海上鋼棧橋、鋼平臺的施工方案進行比選，對施工工藝進行研究[4]。以上研究成果采用的傳統(tǒng)計算法和ANSYS有限元模擬計算法，對鋼平臺結構設計和安全預警具有較好的借鑒意義。但前者存在計算量大、效率低、人為誤差大，后者存在受力條件、結構形式偏簡化、材料浪費較嚴重等缺點。因此有必要依托Midas Civil有限元模擬軟件對鋼平臺進行設計分析。

Midas Civil作為通用的空間有限元分析軟件在鉆孔鋼平臺的結構設計、安全驗算和施工技術方面有著不可替代的優(yōu)勢[5]。針對橋梁鉆孔鋼平臺邊界復雜、連接繁多、結構模型相對復雜的現狀，運用Midas Civil軟件進行模擬設計，可綜合考慮鋼平臺在各種工況下的相互作用，對鋼平臺實際受力狀況進行詳盡的分析。

本文以關門江水道大橋水中墩鉆孔鋼平臺為例，應用Midas Civil軟件對鋼平臺結構進行分析。通過對最不利工況下的荷載組合進行鋼平臺樁基礎力學性狀、結構特征、橋面鋼板、縱橫向分配梁、貝雷梁、鋼管樁等各部分的相互作用進行研究，得出鋼平臺結構的強度、剛度及穩(wěn)定性計算結果，為水中墩鉆孔鋼平臺的設計提供精確的工程數據[6]。

1 鋼平臺結構設計

1.1 結構形式

G1514寧德至上饒國家高速公路福建省霞浦至福安段A2合同段關門江水道大橋位于霞浦縣溪南鎮(zhèn)，關門江水道大橋水中墩鉆孔平臺設計均為貝雷梁型鉆孔平臺，根據鉆孔灌注樁和承臺尺寸，鉆孔平臺分為五種形式(A、B、C、D、E)，平臺設計行車速度均為5 km/h。因五種形式平臺結構形式基本一致，本文以D型鉆孔平臺(11#、12#墩)為例，驗算平臺結構受力。

D型鉆孔平臺尺寸為39.4 m×33 m，鋼管樁基礎為Φ820×10 mm鋼管，共計25根，樁長43 m左右。鋼管樁橫梁為2I50工字鋼，工字鋼上安放32片(雙排單層與三排單層兩種)貝雷梁。貝雷梁上按0.75 m間距橫向布置I25a工字鋼作為分配梁，縱向按0.3 m間距布置I12.6作為縱向分配梁。橋面滿鋪10 mm鋼板，I12.6工字鋼作為橋面欄桿。鉆孔平臺結構如圖1、圖2所示：

圖1 11#、12#墩鉆孔平臺平面圖(單位：m)

圖2 11#、12#墩鉆孔平臺平聯結構圖

1.2 荷載及荷載組合

結構自重：重力系數取1.05。恒載考慮1.2的分配系數，活載考慮1.4的分配系數[7-8]?？勺冏饔每紤]汽車荷載、汽車沖擊力、汽車制動力、風荷載、流水壓力等。

1.2.1 汽車活載

1)混凝土罐車。12 m3混凝土攪拌運輸車整車自重約17 t，混凝土重約28.8 t，滿載總質量約45.8 t，總荷載460 kN。

2)履帶式起重機。180 t履帶吊起重機總質量185 t(含基本主臂)，考慮在12.0 m的幅度范圍內吊裝作業(yè)，最大吊重約50 t，合計重量235 t，履帶平均接地比壓為pz=118 kPa。

3)履帶式旋挖鉆機及反循環(huán)鉆機。采用YTK30000履帶式回旋鉆機、徐工XR-580HD型旋挖鉆機進行鉆孔施工，其主要參數為：旋挖鉆滿配自重(帶鉆桿)200 t，YTK30000履帶式回旋鉆機(帶鉆桿)145 t，尺寸參考履帶吊參數。

4)14 m半掛車(托運重型挖掘機)，牽引車整車自重約8.5 t，總重約35 t。

5)其他車輛。汽車起重機的荷載與混凝土罐車相比較小，故不考慮汽車起重機參與組合。

1.2.2 汽車沖擊力

由于車輛移動緩慢，加載時均采用車輛靜荷載，不考慮沖擊系數。

1.2.3 汽車制動力

履帶車輛過橋時，行駛緩慢，不考慮其制動荷載?；炷凉捃嚰吧笆线\輸車的制動力按其重力荷載的10%施加，沿縱向作用于橋面板車輪位置處。一聯考慮同向兩輛車同時制動，即110 kN按比例分配至各個輪位處。

1.2.4 小型設備及人群荷載。

按3 kPa考慮，分布在整個鉆孔平臺范圍。

1.2.5 風荷載

根據《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[9]JTG/T 3360-01-2018第5.4.1條，橋墩上的等效靜陣風荷載為

式中Fg為作用在主梁單位長度上的順風向等效靜陣風荷載，N/m；ρ為空氣密度，可取為1.25 kg/m3；Ug為等效靜陣風風速，m/s；CD為構件的阻力系數；An為構件單位長度上順風向的投影面積，m2/m。

本鉆孔平臺鋼管樁外徑為0.82 m，最低通航水位以上高度為9.69 m，高寬比約為9.5，阻力系數為CD=0.5，鋼管樁的風荷載為

1)W1風作用水平

Fgp1=0.5×1.25×15.572×0.5×0.82=

62.12 N/m .

2)W2風作用水平

Fgp1=0.5×1.25×35.072×0.5×0.82=

315.16 N/m .

鋼管樁的風荷載以線分布力的形式作用于水面以上的部分。

1.2.6 流水壓力

根據《港口工程荷載規(guī)范》[10](JTS 144-1-2010)第13.0.3.1條，當計算作用于沿水流方向排列的梁、桁架、墩、柱等構件上的水流力時，應將各構件的水流阻力系數乘以相應的遮流影響系數，遮流影響系數可按表13.0.3-2選用。

五根鋼管樁一排間距為5.5 m，9.74 m，9.74 m，5.5 m，鋼管樁排距為9 m，7.5 m，6 m，7.5 m，7.5 m。鋼管樁直徑為0.82 m，則根據表13.0.3-2，水流阻力系數取0.73，后排相應的遮流影響系數取0.82。作用于鋼管樁上的流水壓力標準值為

50.57 KN(0.82直徑鋼管樁).

流水壓力合力的作用點，假定在設計水位線以下0.3倍樁徑水深處。

1.2.7 波浪力

波浪力采取簡化處理，在靜水面以上0.5 m的范圍內施加5 kPa的均布壓力荷載，主墩范圍鋼管樁計算寬度按1 m，圓形橋墩形狀系數取K=0.8，則集中力大小為

Fw=0.8×0.5×1×5=2 kN.

波浪力作用于各個鋼管樁頂。

2 建立Midas Civil數值模型

2.1 數值分析模型

在有限元模型中，采用板單元模擬橋面板，其余桿件均采用梁單元模擬，共建立39 348個單元。有限元模型各部位的連接及約束關系如下：

1)分配梁、承重主橫梁與貝雷梁弦桿對應節(jié)點之間，在保證每一個構件為幾何不變體系的條件下，采用一般彈性連接(水平及轉角方向設置弱彈簧，剛度取1 kN/m)；

2)貝雷片之間采用螺栓連接，在端部單元釋放貝雷平面內的彎曲自由度；

3)花架與貝雷之間采用剛性連接;

4)鋼管樁在虛擬嵌固部位采用固結約束，考慮虛擬嵌固深度;

5)樁與承重橫梁之間采用剛性連接。

有限元模型中的坐標系規(guī)定如下：整體坐標系以橋梁縱向為y方向；橋梁橫向為x方向；豎向為z方向，以向上為正，z=0位于平臺中面中心。全尺寸建立D型平臺有限元模型如圖3、圖4所示：

圖3 D型鋼平臺平面圖

圖4 整體模型圖

2.2 計算方案

現按結構最不利工況對11#、12#墩鉆孔平臺進行結構受力檢算。此工況下，1臺履帶吊(235 t)在作業(yè)支道上吊裝作業(yè)，1臺履帶式反循環(huán)鉆機(200 t)在平臺上進行鉆孔施工，3臺12 m3混凝土罐車(45.8 t)在作業(yè)支道上同時進行混凝土澆筑施工。

3 數值模擬及結構優(yōu)化設計

本工程實例中貝雷梁桿件材質為16錳鋼，根據《鋼結構設計標準》[8]GB50017-2017表4.4.1，在基本組合作用下，其拉、壓及彎曲強度設計值為305 MPa，剪切強度設計值為175 MPa。參考《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》[11]，在標準組合作用下，其拉、壓及彎曲應力容許值為273 MPa，剪應力容許值為208 MPa；除貝雷梁外，其余均為Q235鋼材，其拉、壓及彎曲強度設計值為215 MPa(板件厚度小于16 mm)，抗剪強度設計值為125 MPa。

運用Midas Civil 軟件，在最不利工況下(即1臺履帶吊、1臺鉆機、3臺混凝土罐車同時作業(yè))分別對橋面鋼板(δ=10 mm)、橋面縱向分配梁(I12.6)、橫向分配梁(I25a)、貝雷梁、樁頂墊梁(2I50b)、樁間連接系(φ620×8)、鋼管樁進行分析，得到鉆孔鋼平臺結構承載能力如圖5所示，結構相對變形如圖6所示，各結構部件應力及相對位移計算結果匯總如表1和表2所示。

3.1 鉆孔鋼平臺結構承載能力計算

圖5 最不利工況下鋼板組合應力圖(N/mm2)

由圖5所知，鋼板最大應力為25.23 MPa，小于設計值215 MPa，故知鋼面板張度滿足要求。

表1鉆孔鋼平臺最不利工況下各結構應力結果匯總

MPa

從表1可以看出，鋼平臺各結構部件的最大剪切應力、軸向應力、組合應力均小于規(guī)范規(guī)定的設計值，平臺最大應力為261.5 MPa，整體強度滿足要求。

3.2 鉆孔鋼平臺結構相對位移計算

圖6 最不利工況下分配梁變形位移圖(mm)

由圖6可知，分配梁變形位移為9.18 mm，小于容許變形值12.17 mm，故知分配梁剛度滿足設計要求。

表2 鉆孔鋼平臺最不利工況下各結構相對位移結果匯總

由于縱向分配梁I12.6間距0.3 m布設，跨度為0.75 m，在一個輪壓(或履帶寬帶)作用范圍內，區(qū)域內整體下沉變形，單梁跨中變形剛度不作驗算。從表2平臺結構各部件的變形結果匯總來看，橫向分配梁、貝雷梁、樁頂墊梁、鋼管樁的相對位移均小于根據規(guī)范的撓度許用值，鋼平臺整體剛度滿足設計要求[12-14]。

3.3 鋼管樁驗算(上部結構恒載、活載及動水壓力、風荷載)

鋼管樁強度、剛度已由Midas Civil 軟件計算得出：結果符合設計要求。但要進一步對穩(wěn)定性、承載力進行校驗。

3.3.1 穩(wěn)定性計算

直徑820 mm，壁厚10 mm螺旋鋼管回轉半徑i=286.4 mm，長細比λ=l0/i=43.4×0.7×1 000/286.4=106.08≤150，符合要求，查《鋼結構設計標準》附表，得穩(wěn)定系數φ=0.592。σmax=N/(φA)=887.9×1 000/(0.592×25 431.33)=58.98 Mpa<182 MPa=1.3×140 MPa；(其中1.3為臨時結構應力提高系數)，故穩(wěn)定性滿足要求。

3.3.2 承載力計算

根據《建筑樁基設計規(guī)范》(JGJ 94-2008)公式(5.3.7-1)，單樁豎向承載力按主橋11#墩位處河床地質為例計算，管樁采用φ820 mm，δ=10 mm，樁長44.33 m，樁頂標高為+6.15 m，海床標高-29.07 m，樁頂至河床面為35.25 m，鋼管樁入土9.08 m，樁底標高-38.16 m，則鋼管樁承載力標準值Quk：

Quk=u∑qsikli+λpqpkAp.

根據勘查資料提供的數據，11#墩位處土層參數(從河床依次向下)：

1)淤泥，稍密，入土1.8 m：極限側摩阻力忽略不計。

2)砂土狀強風化花崗斑巖，入土7.28 m：極限側摩阻力(估值)qsik=70 kPa，地基承載力基本容許值450 Kpa，計算中忽略。

Quk=3.14×0.82×[7.28×70]=1 312.12 kN

鋼管樁樁長43.4 m，入河床9.08 m時，能提供的豎向力標準值為1 312.12 kN，大于管樁(單樁)需要提供的最大豎向承載力887.9 kN，所以鋼管樁入土深度滿足要求。

4 結語

通過Midas Civil軟件整體建模計算可知，在最不利工況下：鉆孔平臺結構部件的最大剪切應力、軸向應力、組合應力均小于規(guī)范規(guī)定的設計值，整體強度滿足設計要求；鉆孔鋼平臺的橫向分配梁、貝雷梁、樁頂墊梁、鋼管樁的相對位移均小于根據規(guī)范的撓度許用值，整體剛度滿足設計要求；鋼管樁的穩(wěn)定性、入土深度、承載力等同時滿足設計要求。結果安全可靠，很好地服務于工程建設。

相比于以往傳統(tǒng)的計算方法存在的注重結構使用功能、忽略結構施工過程等問題，運用Midas Civil軟件，打破了工程領域傳統(tǒng)依靠經驗和理論公式計算的弊端，僅通過建立模型，輸入各種荷載及邊界條件等參數化設計，即可得到各種荷載下的結構受力計算結果，大大提高了工作效率，減少重復計算工作，為工程的施工控制、結構優(yōu)化提供了很大的幫助，具有推廣價值。