有限元理论在RCD工法施工平台中的应用

谭凯，焦守增

（中交三航局江苏分公司，江苏 连云港 222002）

有限元理论在RCD工法施工平台中的应用

谭凯，焦守增

（中交三航局江苏分公司，江苏 连云港 222002）

桥梁桩基础的施工是海上桥梁建设的主要难点之一，解决这一难题的关键是海上施工平台的设计与施工。本文以海上RCD工法施工平台为研究对象，采用AUTODESK ROBOT有限元分析软件，模拟RCD工法施工荷载条件下，施工平台各结构的强度、刚度及其稳定性的变化。理论计算分析结合现场施工实践，证实该施工平台的结构组合形式及其计算方法可以为今后的工程实践提供参考。

RCD工法；有限元分析；施工平台；摇桩机

1 工程综述

新城填海区A区至澳门半岛之间的连接通道-连接桥建造工程，位于澳门友谊圆形地，新城填海区A区北部及其之间的海域。本工程包含3座海上高架桥，高架桥1总跨径173.98m，高架桥2总跨径146.1m，高架桥3总跨径306.44m。除了用作通行航道之主跨度为50米之外，跨度一般在25米及35米之间。三座桥包含水中桩基78根，直径为1.2m和1.6m两种。本工程所有海上灌注桩均采用RCD工法施工，需搭设海上施工平台作为桩机海上作业平台。

图1 RCD钻机施工图

2 RCD工法简介

针对大直径桩孔入岩困难的问题，本工程采用国际成熟的大直径嵌岩桩RCD工法。RCD工法与传统的锤击式桩基施工方法相比，具有低噪音、低震动、低污染的特性。本工程在施工海上灌注桩时需要安装临时钢套筒，并使用重型液压摇管机（OSCILLATOR）将钢套筒旋磨至岩层，在钢套筒旋磨过程中，用吊机配合蚬式抓斗抓取钢套筒内的淤泥。达到岩层以后使用RCD（反循环）钻机进行嵌岩开挖，RCD钻机安装于钢套筒顶部，通过重型钻杆驱动底端大直径钻头钻进。钻出的石屑通过气举反循环系统泵送至地面水箱沉淀。

RCD工法采用的摇管机最大拔管力2700kN（竖直方向），最大输出扭矩4520kN.m，工作时需与BM900履带吊配合施工。为满足施工时的荷载要求，海上灌注桩施工平台的设计承载力为400吨。

图2 摇管机工作原理图

图3 RCD钻头

3 施工平台结构图

RCD工法施工平台的结构形式自下而上依次为：Φ630mm钢管桩（敞口桩不带加强箍），每排4根，中心间距为3.1m+1.4m+3.1m；纵梁采用双拼700mm工字钢，横梁采用250mm双拼工字钢；面板采用10mm钢板满铺；平台两边以50mm钢管做护栏，立杆间距2.2m，高0.9m。海上灌注桩施工平台示意图如图4。

图4 海上灌注桩施工平台横断面图

4 施工平台结构验算

4.1 计算条件

（1）永久荷载：结构自重，钢材自重：77.01kN/m3。

（2）可变荷载：考虑施工材料（钢板桩，型钢等）的堆放：20kPa；施工机械荷载为摇桩机，最大拔管力2700kN（竖直方向），最大输出扭矩4520kN.m。

（3）水位情况：施工期高水位：1.20m.

（4）主要结构材料：上部面层结构由25A工字钢及10mm厚钢面板组成，25A工字钢材质为Q345B,钢板为Q235；“H”型钢：HN700×300，材质为Q345B；钢管桩：直径630mm，桩长33m，壁厚10mm，材质为Q345B。

4.2 计算工况及荷载组合

本工程施工平台各计算项目的工况及组合方法如下：

4.2.1 施工平台上部结构强度计算

（1）结构自重×1.2+施工均载×1.4

（2）结构自重×1.2+摇桩机工作荷载（垂直向）×1.4

（3）结构自重×1.2+摇桩机工作荷载（水平向）×1.4

4.2.2 施工平台桩基承载力计算

（1）结构自重×1.0+施工均载×1.0

（2）结构自重×1.0+摇桩机工作荷载（垂直向）×1.0

（3）结构自重×1.0+摇桩机工作荷载（水平向）×1.0

4.2.3 施工平台上部结构变形验算

（1）结构自重×1.0+施工均载×1.0

（2）结构自重×1.0+摇桩机工作荷载（垂直向）×1.0

（3）结构自重×1.0+摇桩机工作荷载（水平向）×1.0

4.3 各荷载组合计算结果

4.3.1施工平台上部结构计算结果

4.3.2施工平台桩基计算结果

表1 施工平台上部结构计算结果组合表

表2 桩基计算结果组合表

4.4 建模验算

施工平台的计算采用AUTODESK ROBOT有限元分析软件计算完成，计算该施工平台的桩基及上部构件受力，桩基的模拟采用假想嵌固点，深度按泥面以下5m计，结构布置及模型计算结果如图5。

图5 海上灌注桩施工平台模型验算结果图

该施工平台的验算结果汇总见表3、表4。

表3 施工平台上部结构计算结果汇总

表4 排架桩基内力计算结果汇总

5 应用效果

本工程海上灌注桩采用RCD工法施工，一般7天可成桩，在施工平台使用过程中需定期进行沉降观测。施工平台顶标高+3.30m，本文选取施工平台四个点进行了定期观测，观测频率为1次/天，观测结果统计表如表5。观测数据均小于理论计算的最大变形，且在施工平台的使用过程中未发现结构损坏、焊缝开裂等现象。

表5 施工平台观测统计表

图6 海上RCD工法施工平台图

6 结语

通过有限元分析软件的模拟结合现场应用的实践效果，证实该海上RCD工法施工平台的设计满足现场施工条件。施工平台经验收合格交付使用后，需定期对平台进行沉降观测。派人对施工平台进行巡视，及时发现排除可能存在的危险源。该施工平台的结构组合形式及其计算方法，可以为今后的工程实践提供参考。

[1]BS 6349:Code of Practice for Maritime Structures General Criteria；

[2]BS 8004：Code of Practice for Foundations；

[3]《水运工程钢结构设计规范》(JTS152-2012)。

[4]《港口与航道水文规范》（JTS 145-2015）；

[5]BS5950-1-2000:Code of practice for design-Rolled and welded sections；

U655.5

A

1006—7973（2017）10-0066-03

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.029