采用Midas Civil软件分析钻孔平台稳定性

乔建军，王 军，刘 伟

(中交二航局第一工程有限公司，湖北 武汉 430081)

随着我国港口工程规模不断扩大，码头平台设计尺寸越来越大。项目管理逐渐向精细、标准、规范转变。钻孔平台搭设完成后，需要考虑稳定性，常规采用压载或手算等方法进行简单核定。工程是不可复制的，不同的荷载对平台的功能要求不同，采用这种方式，施工安全风险增大，容易发生坍塌等安全事故，故采用软件分析结构稳定性应运而生。

1 Midas Civil软件使用现状和推广前景

MIDAS Civil针对土木结构，特别是复杂的平台结构形式，同时可以做非线性边界分析、材料非线性分析。能够迅速、准确地完成类似结构的分析和设计。它的几何建模和网格划分技术采用了在土木领域中已经被广泛应用的前后处理软件Midas FX+的核心技术，同时融入了MIDAS强大的线性、非线性分析内核，是一款专门适用于土木领域的高端非线性分析和细部分析软件[1]。

2 设计思路

2.1 稳定性验算需要考虑的问题

1)材料的选型。优化材料结构，使各种材料满足最佳受力状态。

2)功能要求布置。验算钻孔平台的稳定性，主要是满足使用要求。钻孔平台主要用于灌注桩施工，兼有现浇下横梁施工功能。

3)同样需要考虑水流荷载、风荷载等其他不明荷载。

4)设计的目的是施工，基础的承载力同样是验算需要考虑的，可为后期实施提供更大的安全系数。

2.2 钻孔平台设计思路

码头钻孔平台采用钢护筒作为平台基础，上部采用型钢搭设而成，结构从上至下依次为：5 mm钢板网、纵向分配梁I20a型钢、主梁(D-E轴2根I36a型钢，A-D轴1根I36a型钢)、牛腿。纵向分配梁间距为0.60～0.75 m，根据钢护筒的桩位不同而略有变化。施工平台后沿设置安全通道，安全通道区从上至下依次为：栏杆、钢板网、[10槽钢、I14a型钢。前沿设置安全栏杆，依次为[10槽钢、脚手管。钻孔平台总体结构布置见图1。

图1 钻孔平台总体结构布置

3 稳定性验算

3.1 材料特性

Q235B钢材的物理力学特性[2]为：拉、压、弯强度设计值215 MPa，弹性模量206 GPa，剪切强度设计值fy=125 MPa，τ容=95 MPa，剪切模量79 GPa。

3.2 计算荷载

1)恒载[3]。结构自重，计算不利荷载为基础，下横梁浇筑时，下横梁截面尺寸为2.4 m(宽)×1.2 m(高)，钢筋混凝土密度取2.5 tm3，模板采用木模，浇筑方式为地泵浇筑。

2)堆载。临时堆载5 kPa，人员荷载1 kPa。

3)施工荷载。所有区域均为2.5 kPa。

4)模板荷载。按2.0 kPa考虑。

5)钻机荷载。钻机机体120 kN；落锤60 kN；假设钻机机体和落锤构成一个整体，总质量18 t，取动力系数1.1，总荷载取为198 kN。钻机作用在3根纵梁上，纵向间距为4 m。单个支点荷载取为33 kN。

6)水流力。水流力按《港口工程荷载规范》[4]计算：

Fw=Cwρv2A2

(1)

式中：Fw为水流力标准值(kN)；Cw为水流阻力系数；ρ为水密度，取1.0 tm3；v为水流设计速度(ms)；A为构件与流向垂直面上的投影面积(m2)。

φ1 600×14钢管桩水流力标准值：施工期高水位44.0 m，流速v=2.5 ms，取泥面29 m，则Fw=54.75 kN。

作用点高程39 m，水流力标准取值见表1。

表1 水流力标准取值

注：施工期高水位44.0 m，流速v=2.5 ms。

φ1 200×14的平联水流力标准值为Fw=2.74 kN。

7)风荷载。湖北荆州，查表风速取v=22.2 ms，按《港口工程荷载规范》计算：

(2)

式中：Wk为风荷载标准值(kPa)；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；v为港口附近的空旷地面，离地10 m高、重现期50 a的10 min平均最大风速(ms)。计算得Wk=0.25 kPa。

3.3 钻孔平台稳定计算

钢护筒入土段采用m法建立弹簧单元，采用节点弹性支撑，覆盖层m值取10 000，岩石层m值取20 000。钢护筒与横撑固结，牛腿与横梁固结，主梁I36型钢与牛腿刚性连接，分配梁与主梁I36型钢弹性连接。选取80#～85#排架，建立有限元模型，见图2。

图2 钻孔平台有限元模型

钻孔平台正常工作工况，整体变形采用标准组合，其余采用基本组合。基本组合：1.2×(自重+堆载)+1.4×(施工荷载+钻机荷载+水流力+风荷载)。

标准组合：1.0×(自重+堆载)+1.0×(施工荷载+钻机荷载+水流力+风荷载)。

计算结果见表2。

表2 钻孔平台计算结果

各构件强度满足要求。查钻孔平台有限元模型得顺水流方向变形为17 mm，满足刚度要求。I36a型钢竖向变形为17 mm，满足刚度要求。各轴压构件的应力水平偏低，稳定性满足要求。

3.4 下横梁支架稳定计算

桩基入土段采用m法建立弹簧单元，采用节点弹性支撑，覆盖层m值取10 000，岩石层m值取20 000。钢护筒与横撑固结，牛腿与横梁固结，主梁I36与牛腿刚性连接。以80#～85#排架建立有限元模型，见图3。

图3 下横梁施工支撑有限元模型

下横梁支架正常工作工况，整体变形采用标准组合，其余采用基本组合。基本组合：1.2×(自重力+混凝土浇筑重力)+1.4×(模板重力+施工荷载+水流力+风荷载)。标准组合：1.0×(自重力+混凝土浇筑重力)+1.0×(模板重力+施工荷载+水流力+风荷载)。

计算结果见表3，由于灌注桩已经成孔，这里不列出钢护筒、平联的受力结果。

表3 下横梁施工支撑计算结果

各构件强度满足要求。查下横梁施工支撑有限元模型得I36的竖向变形为14 mm，满足刚度和稳定性要求。

牛腿翼板厚16 mm，长宽均为400 mm；腹板厚16 mm，长500 mm，宽400 mm；双腹板，翼板搁置在腹板上。腹板、翼板、钢护筒三者之间有效焊接，焊高10 mm。牛腿结构大样见图4。

图4 牛腿结构大样(单位：mm)

计算可得知：牛腿翼板、腹板局部应力188 MPa<极限应力215 MPa，满足强度要求，验算结果见图5。

图5 牛腿结构应力云图

4 结语

1)通过Midas Civil软件的稳定性设计验算，表明平台结构稳定、安全可靠、提质增效。

2)应用工程软件对钻孔平台在不同工况下的稳定性进行详细核算。通过软件的全程数据支撑，打破了工程领域传统依靠经验和理论公式计算的弊端。

3)从计算结果看来，Midas Civil对材料选型分析、钻孔平台功能布置、多种荷载叠加计算、工程的实施等方面有独特的设计功能，可为类似工程提供参考。