基于Midas Civil钻孔钢平台结构设计与研究

肖冰 祝可为

(福建船政交通职业学院 土木工程学院，福建福州 350007)

近年来，随着我国跨江、跨海、跨河桥梁建设的不断增加，水上钻孔钢平台被广泛应用在各类桥梁深水基础的施工过程中。钻孔钢平台具有施工便捷、材料周转方便、安全有保障等特点。但目前国内外有关钻孔钢平台结构设计的系统研究方兴未艾。张晓元等以苏拉马都跨海大桥为工程背景，介绍了海上施工平台的设计思路、结构布置及施工方法[1]；吕江针对桥墩处水位较深，同时水下岩面覆盖层较薄的情况，设计了由钢管定位桩+分配梁+贝雷梁+平台面板组成的水上钻孔平台[2]；王安等设计出钢管桩联合钢护筒搭设施工作业平台的施工方案[3]；严海宁等依托漳江湾特大桥及连接线工程，对海上钢栈桥、钢平台的施工方案进行比选，对施工工艺进行研究[4]。以上研究成果采用的传统计算法和ANSYS有限元模拟计算法，对钢平台结构设计和安全预警具有较好的借鉴意义。但前者存在计算量大、效率低、人为误差大，后者存在受力条件、结构形式偏简化、材料浪费较严重等缺点。因此有必要依托Midas Civil有限元模拟软件对钢平台进行设计分析。

Midas Civil作为通用的空间有限元分析软件在钻孔钢平台的结构设计、安全验算和施工技术方面有着不可替代的优势[5]。针对桥梁钻孔钢平台边界复杂、连接繁多、结构模型相对复杂的现状，运用Midas Civil软件进行模拟设计，可综合考虑钢平台在各种工况下的相互作用，对钢平台实际受力状况进行详尽的分析。

本文以关门江水道大桥水中墩钻孔钢平台为例，应用Midas Civil软件对钢平台结构进行分析。通过对最不利工况下的荷载组合进行钢平台桩基础力学性状、结构特征、桥面钢板、纵横向分配梁、贝雷梁、钢管桩等各部分的相互作用进行研究，得出钢平台结构的强度、刚度及稳定性计算结果，为水中墩钻孔钢平台的设计提供精确的工程数据[6]。

1 钢平台结构设计

1.1 结构形式

G1514宁德至上饶国家高速公路福建省霞浦至福安段A2合同段关门江水道大桥位于霞浦县溪南镇，关门江水道大桥水中墩钻孔平台设计均为贝雷梁型钻孔平台，根据钻孔灌注桩和承台尺寸，钻孔平台分为五种形式(A、B、C、D、E)，平台设计行车速度均为5 km/h。因五种形式平台结构形式基本一致，本文以D型钻孔平台(11#、12#墩)为例，验算平台结构受力。

D型钻孔平台尺寸为39.4 m×33 m，钢管桩基础为Φ820×10 mm钢管，共计25根，桩长43 m左右。钢管桩横梁为2I50工字钢，工字钢上安放32片(双排单层与三排单层两种)贝雷梁。贝雷梁上按0.75 m间距横向布置I25a工字钢作为分配梁，纵向按0.3 m间距布置I12.6作为纵向分配梁。桥面满铺10 mm钢板，I12.6工字钢作为桥面栏杆。钻孔平台结构如图1、图2所示：

图1 11#、12#墩钻孔平台平面图(单位：m)

图2 11#、12#墩钻孔平台平联结构图

1.2 荷载及荷载组合

结构自重：重力系数取1.05。恒载考虑1.2的分配系数，活载考虑1.4的分配系数[7-8]。可变作用考虑汽车荷载、汽车冲击力、汽车制动力、风荷载、流水压力等。

1.2.1 汽车活载

1)混凝土罐车。12 m3混凝土搅拌运输车整车自重约17 t，混凝土重约28.8 t，满载总质量约45.8 t，总荷载460 kN。

2)履带式起重机。180 t履带吊起重机总质量185 t(含基本主臂)，考虑在12.0 m的幅度范围内吊装作业，最大吊重约50 t，合计重量235 t，履带平均接地比压为pz=118 kPa。

3)履带式旋挖钻机及反循环钻机。采用YTK30000履带式回旋钻机、徐工XR-580HD型旋挖钻机进行钻孔施工，其主要参数为：旋挖钻满配自重(带钻杆)200 t，YTK30000履带式回旋钻机(带钻杆)145 t，尺寸参考履带吊参数。

4)14 m半挂车(托运重型挖掘机)，牵引车整车自重约8.5 t，总重约35 t。

5)其他车辆。汽车起重机的荷载与混凝土罐车相比较小，故不考虑汽车起重机参与组合。

1.2.2 汽车冲击力

由于车辆移动缓慢，加载时均采用车辆静荷载，不考虑冲击系数。

1.2.3 汽车制动力

履带车辆过桥时，行驶缓慢，不考虑其制动荷载。混凝土罐车及砂石料运输车的制动力按其重力荷载的10%施加，沿纵向作用于桥面板车轮位置处。一联考虑同向两辆车同时制动，即110 kN按比例分配至各个轮位处。

1.2.4 小型设备及人群荷载。

按3 kPa考虑，分布在整个钻孔平台范围。

1.2.5 风荷载

根据《公路桥梁抗风设计规范》[9]JTG/T 3360-01-2018第5.4.1条，桥墩上的等效静阵风荷载为

式中Fg为作用在主梁单位长度上的顺风向等效静阵风荷载，N/m；ρ为空气密度，可取为1.25 kg/m3；Ug为等效静阵风风速，m/s；CD为构件的阻力系数；An为构件单位长度上顺风向的投影面积，m2/m。

本钻孔平台钢管桩外径为0.82 m，最低通航水位以上高度为9.69 m，高宽比约为9.5，阻力系数为CD=0.5，钢管桩的风荷载为

1)W1风作用水平

Fgp1=0.5×1.25×15.572×0.5×0.82=

62.12 N/m .

2)W2风作用水平

Fgp1=0.5×1.25×35.072×0.5×0.82=

315.16 N/m .

钢管桩的风荷载以线分布力的形式作用于水面以上的部分。

1.2.6 流水压力

根据《港口工程荷载规范》[10](JTS 144-1-2010)第13.0.3.1条，当计算作用于沿水流方向排列的梁、桁架、墩、柱等构件上的水流力时，应将各构件的水流阻力系数乘以相应的遮流影响系数，遮流影响系数可按表13.0.3-2选用。

五根钢管桩一排间距为5.5 m，9.74 m，9.74 m，5.5 m，钢管桩排距为9 m，7.5 m，6 m，7.5 m，7.5 m。钢管桩直径为0.82 m，则根据表13.0.3-2，水流阻力系数取0.73，后排相应的遮流影响系数取0.82。作用于钢管桩上的流水压力标准值为

50.57 KN(0.82直径钢管桩).

流水压力合力的作用点，假定在设计水位线以下0.3倍桩径水深处。

1.2.7 波浪力

波浪力采取简化处理，在静水面以上0.5 m的范围内施加5 kPa的均布压力荷载，主墩范围钢管桩计算宽度按1 m，圆形桥墩形状系数取K=0.8，则集中力大小为

Fw=0.8×0.5×1×5=2 kN.

波浪力作用于各个钢管桩顶。

2 建立Midas Civil数值模型

2.1 数值分析模型

在有限元模型中，采用板单元模拟桥面板，其余杆件均采用梁单元模拟，共建立39 348个单元。有限元模型各部位的连接及约束关系如下：

1)分配梁、承重主横梁与贝雷梁弦杆对应节点之间，在保证每一个构件为几何不变体系的条件下，采用一般弹性连接(水平及转角方向设置弱弹簧，刚度取1 kN/m)；

2)贝雷片之间采用螺栓连接，在端部单元释放贝雷平面内的弯曲自由度；

3)花架与贝雷之间采用刚性连接;

4)钢管桩在虚拟嵌固部位采用固结约束，考虑虚拟嵌固深度;

5)桩与承重横梁之间采用刚性连接。

有限元模型中的坐标系规定如下：整体坐标系以桥梁纵向为y方向；桥梁横向为x方向；竖向为z方向，以向上为正，z=0位于平台中面中心。全尺寸建立D型平台有限元模型如图3、图4所示：

图3 D型钢平台平面图

图4 整体模型图

2.2 计算方案

现按结构最不利工况对11#、12#墩钻孔平台进行结构受力检算。此工况下，1台履带吊(235 t)在作业支道上吊装作业，1台履带式反循环钻机(200 t)在平台上进行钻孔施工，3台12 m3混凝土罐车(45.8 t)在作业支道上同时进行混凝土浇筑施工。

3 数值模拟及结构优化设计

本工程实例中贝雷梁杆件材质为16锰钢，根据《钢结构设计标准》[8]GB50017-2017表4.4.1，在基本组合作用下，其拉、压及弯曲强度设计值为305 MPa，剪切强度设计值为175 MPa。参考《装配式公路钢桥多用途使用手册》[11]，在标准组合作用下，其拉、压及弯曲应力容许值为273 MPa，剪应力容许值为208 MPa；除贝雷梁外，其余均为Q235钢材，其拉、压及弯曲强度设计值为215 MPa(板件厚度小于16 mm)，抗剪强度设计值为125 MPa。

运用Midas Civil 软件，在最不利工况下(即1台履带吊、1台钻机、3台混凝土罐车同时作业)分别对桥面钢板(δ=10 mm)、桥面纵向分配梁(I12.6)、横向分配梁(I25a)、贝雷梁、桩顶垫梁(2I50b)、桩间连接系(φ620×8)、钢管桩进行分析，得到钻孔钢平台结构承载能力如图5所示，结构相对变形如图6所示，各结构部件应力及相对位移计算结果汇总如表1和表2所示。

3.1 钻孔钢平台结构承载能力计算

图5 最不利工况下钢板组合应力图(N/mm2)

由图5所知，钢板最大应力为25.23 MPa，小于设计值215 MPa，故知钢面板张度满足要求。

表1钻孔钢平台最不利工况下各结构应力结果汇总

MPa

从表1可以看出，钢平台各结构部件的最大剪切应力、轴向应力、组合应力均小于规范规定的设计值，平台最大应力为261.5 MPa，整体强度满足要求。

3.2 钻孔钢平台结构相对位移计算

图6 最不利工况下分配梁变形位移图(mm)

由图6可知，分配梁变形位移为9.18 mm，小于容许变形值12.17 mm，故知分配梁刚度满足设计要求。

表2 钻孔钢平台最不利工况下各结构相对位移结果汇总

由于纵向分配梁I12.6间距0.3 m布设，跨度为0.75 m，在一个轮压(或履带宽带)作用范围内，区域内整体下沉变形，单梁跨中变形刚度不作验算。从表2平台结构各部件的变形结果汇总来看，横向分配梁、贝雷梁、桩顶垫梁、钢管桩的相对位移均小于根据规范的挠度许用值，钢平台整体刚度满足设计要求[12-14]。

3.3 钢管桩验算(上部结构恒载、活载及动水压力、风荷载)

钢管桩强度、刚度已由Midas Civil 软件计算得出：结果符合设计要求。但要进一步对稳定性、承载力进行校验。

3.3.1 稳定性计算

直径820 mm，壁厚10 mm螺旋钢管回转半径i=286.4 mm，长细比λ=l0/i=43.4×0.7×1 000/286.4=106.08≤150，符合要求，查《钢结构设计标准》附表，得稳定系数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为临时结构应力提高系数)，故稳定性满足要求。

3.3.2 承载力计算

根据《建筑桩基设计规范》(JGJ 94-2008)公式(5.3.7-1)，单桩竖向承载力按主桥11#墩位处河床地质为例计算，管桩采用φ820 mm，δ=10 mm，桩长44.33 m，桩顶标高为+6.15 m，海床标高-29.07 m，桩顶至河床面为35.25 m，钢管桩入土9.08 m，桩底标高-38.16 m，则钢管桩承载力标准值Quk：

Quk=u∑qsikli+λpqpkAp.

根据勘查资料提供的数据，11#墩位处土层参数(从河床依次向下)：

1)淤泥，稍密，入土1.8 m：极限侧摩阻力忽略不计。

2)砂土状强风化花岗斑岩，入土7.28 m：极限侧摩阻力(估值)qsik=70 kPa，地基承载力基本容许值450 Kpa，计算中忽略。

Quk=3.14×0.82×[7.28×70]=1 312.12 kN

钢管桩桩长43.4 m，入河床9.08 m时，能提供的竖向力标准值为1 312.12 kN，大于管桩(单桩)需要提供的最大竖向承载力887.9 kN，所以钢管桩入土深度满足要求。

4 结语

通过Midas Civil软件整体建模计算可知，在最不利工况下：钻孔平台结构部件的最大剪切应力、轴向应力、组合应力均小于规范规定的设计值，整体强度满足设计要求；钻孔钢平台的横向分配梁、贝雷梁、桩顶垫梁、钢管桩的相对位移均小于根据规范的挠度许用值，整体刚度满足设计要求；钢管桩的稳定性、入土深度、承载力等同时满足设计要求。结果安全可靠，很好地服务于工程建设。

相比于以往传统的计算方法存在的注重结构使用功能、忽略结构施工过程等问题，运用Midas Civil软件，打破了工程领域传统依靠经验和理论公式计算的弊端，仅通过建立模型，输入各种荷载及边界条件等参数化设计，即可得到各种荷载下的结构受力计算结果，大大提高了工作效率，减少重复计算工作，为工程的施工控制、结构优化提供了很大的帮助，具有推广价值。