主墩施工平台受力分析

主墩施工平台受力分析
摘要：施工平台主要功能是为桩基础及承台施工作业提供工作平台，海上施工安全风险较大，且需要承受风荷载、波浪力、重型施工设备活载，受力较为复杂，其强度和稳定性将影响桩基及承台施工的质量和安全性。

针对项目特点，介绍了桥墩施工平台结构构造、荷载的取值方法等，并采用大型有限元软件ANSYS 验算其强度、刚度，单桩稳定性和平台的整体稳定，分析结构体系合理性及构件传力的可靠性，为同类结构的施工与设计提供一定的参考价值。

关键词：施工平台；强度；稳定性；ANSYS
引言
为方便施工管理、减少海上施工安全风险和加快施工进度，一般会修建临时施工栈桥以连通主墩平台，主墩平台由钻孔区平台和辅助平台两部分组成。

施工平台作为施工材料、机械设备的存放地点，同时也是施工人员的工作地点，除了要承受竖向施工车辆荷载外，还受到风、浪、流的作用，因此施工平台必须满足以下要求：
①在工作状态下，应满足车辆正常通行的安全性和适用性要求，并具有足够的安全储备。

②在工作状态下，应能满足整体安全性的要求，允许出现局部可修复的损坏。

③在平台施工状态下，应满足自身施工过程的安全。

平台构造
施工平台主要功能是为桩基础及承台施工作业提供工作平台，由施工辅助平台和钻桩平台两部分组成。

辅助平台由直径φ1000×12mm 钢管桩支承，共计43 条钢管桩。

钢管桩纵向用φ426×6mm 和φ325×6mm 钢管焊成的桁片焊接连接,横向通过双拼16#槽钢剪刀撑连接φ426×6mm 钢管平联和双拼HM588 型钢垫梁。

一次分配梁为25a 工字钢，分布梁为12.6 工字钢，面板为δ8mm 钢板。

钻孔平台由φ3050×20mm 钢护筒支承，钢护筒采用φ600×6mm 钢管组成整体受力，同时兼作桩基施工时的连通管。

施工平台布置如下图。

图1.1 施工辅助平台平面图
施工平台下部结构验算
2.1 单根钢管桩验算
单根钢管桩计算模型采用大型有限元分析软件ANSYS进行验算，采用beam188单元进行模拟。

单根桩共57个节点，56个单元。

本文采用m值法[1]计算钢管桩假定嵌固点深度，经计算钢管桩嵌固点T为3.43m,入土深度为4T，固点深度为 6.17m, 桩顶标高+2.5m，桥墩泥面-17.7m，故钢管桩计算长度为2.5+17.7+6.17=26.37m，其中桩底采用固结边界条件，泥面处约束纵向及横向位移。

对单桩进行以下工况验算：自重+水流力+波浪力，经计算，单根钢管桩的最大应力出现在泥面附近最大值为+30.1MPa；最大横向位移发生在桩顶，为36.8mm（沿水流力方向）。

图2.1 应力云图(单位：Pa) 图2.2 横向位移(单位：m)
2.2 平台整体验算
下部结构中，φ1000×12mm 钢管桩、φ426×6mm 和φ325×6mm 钢管平联均用beam188单元模拟。

下部结构模型共2591个节点，2883个单元，模型如图下图所示。

计算荷载工况为：自重+平台上部结构荷载+水流力+波浪力，经计算，下部结构整体应力分布在0~40MPa，最大应力为φ426×6mm钢管平联在与斜桩的桩顶的连结处出现局部应力集中，最大值为+92.2MPa；整体最大横向位移发生在右侧单排桩的跨中处，为23.6mm（沿水流力方向）；整体最大竖向位移发生在斜桩桩顶处，为3.6mm（向下）。

图2.3 整体应力云图(单位：Pa) 图2.4 斜桩桩顶应力云图(单位：Pa)
2.3 平联局部验算
φ426×6mm钢管平联的整体应力在10MPa以内，最大应力为φ426×6mm钢管平联在与斜桩的桩顶的连结处出现局部应力集中，最大值为+92.2MPa；最大横向位移发生在右侧单排桩的跨中处，为23.6mm（沿水流力方向）；最大竖向位移发生在与斜桩桩顶连接处，为3.6mm（向下）。

φ325×6mm钢管平联的整体应力较小，均在10MPa以内；最大应力为φ325×6mm钢管平联在与φ426×6mm的连结处，出现局部应力集中，最大值为66.7MPa；整体最大横向位移发生在右侧单排桩的跨中与φ426×6mm钢管连结处，为23.6mm（沿水流力方向）；整体最大竖向位移发生在与与φ426×6mm的连结处，为3.6mm（向下）。

3 辅助平台上部结构验算
辅助平台上部结构由上往下分别为8mm钢板、I12.6工字钢、I25a工字钢、
两组单层贝雷梁及2HM588承重梁。

3.1面板验算
面板支撑在I12.6工字钢上面，间距0.30m，计算取净距0.226m。

桥面板厚8mm，按简支梁验算。

取最不利情况下后轮位于两条工字钢间的面板上，后轮作用力P=140 /2=70KN，取轮胎宽度0.6m 作为计算宽度。

经验算，8mm厚钢板桥面板在两种荷载工况下都满足设计要求。

3.2 I12.6工字钢验算
I12.6 工字钢间距0.3m，支承在I25a 工字钢上，跨径为1.50m。

有两种方式作用在I12.6 工字钢上，一种是履带吊与工字钢同向，另一种是与工字钢正交。

当履带吊与工字钢同向施加荷载时，I12.6 工字钢最大应力为153MPa，最大位移为2.9mm。

当履带吊与工字钢正交方向施加荷载时，I12.6 工字钢最大应力为182MPa，最大位移为2.7mm。

经验算，I12.6工字钢在两种荷载工况下都满足设计要求。

3.3 一次分配梁I25a验算
I25a 工字钢间距1.5m，支承在贝雷梁上，跨度最大位置处位于两排贝雷梁的中间位置，由于贝雷梁布置跨径较为平均，则以连续梁计算模式，每片贝雷为一支座，有两种方式：一种是履带吊与I25a 工字钢同向，另一种是与I25a 工字钢正交。

当履带吊与I25a工字钢同向时，履带受力1750KN，按照连续梁计算模型。

I25a工字钢最大应力为169MPa，最大位移为3.2mm。

当履带吊与I25a工字钢正交时，以偏安全的简支梁计算，I25a工字钢最大应力为144MPa，最大位移为2.5mm。

3.4 双拼HM588承重梁验算
验算以下两种工况下承重梁的受力情况：履带吊履带对称作用在承重梁两侧；履带吊单侧履带对中作用在承重梁中间位置。

履带吊履带对称作用在承重梁两侧时，得到承重梁的最大应力为187MPa，最大位移为15.8mm。

履带吊单侧履带对中作用在承重梁中间位置时，以两跨连在续梁计算，满足要求。

4 结论与建议
单根钢管桩的最大应力出现在泥面附近，最大值为30.1MPa。

施工平台下部结构整体应力分布在0~40MPa，φ426×6mm钢管平联在与斜桩的桩顶的连结处出现局部应力集中，最大值为92.2MPa；。

在横向最大位移处，待钻桩施工时，加强该处的横向联系便可有效地减少横向位移。

上部结构8mm钢板、I12.6工字钢、I25a工字钢、两组单层贝雷梁及2HM588承重梁，按125T履带吊在作业时吊重50T，及公路I级荷载验算，取其最不利荷载工况，应力及位移均满足设计要求。

由此可知，主墩平台结构体系合理、传力可靠、便于施工，在各种状态下
均满足规范要求。

参考文献：
[1] 张学言. 确定弹性桩嵌固点深度的方法[J]. 水运工程, 1980, 10: 17-21.
[2] JTG D63-2007. 公路桥涵地基与基础设计规范[S].
[3] JTJ283-99. 港口工程钢结构设计规范[S]．
[4] GB50017-2003. 钢结构设计规范[S]．。