钻孔平台受力计算

钻孔施工平台受力计算及模型分析
一、原始资料收集整理
1、水文
⑴、潮汐特性
①、潮汐
厦门岛海域的潮波受台湾海峡潮波系统控制，为谐振潮，潮汐类型属正规半日潮，桥区潮位特征值采用厦门海洋站（1907～1998）统计数据见表1-1。

②、台风暴潮
据历史台风和台风暴潮统计，在1956～1998年的40余年间，影响厦门港的台风和热带风暴年平均可达5个左右，其中伴随台风产生50cm以上台风增水者有99次，年平均2.3次。

表1-2为厦门港各级台风增水出现频数，由表可见，厦门港台风增减水幅度在-1.50至2.00m之间，逐时最大台风增水为1.80m（8304号台风期间），高潮相对最大增水为1.43m（5903号台风期间），建国以来的最高台风暴潮水位4.45m。

表1-2 厦门各级增水频数
为了更好地了解和使用厦门台风增水资料，收集整理了1959～1998年逐年年极值台风增水系列，并按第一型极值分布律方法，计算了厦门港不同重现期的台风增水(表1-3)。

结果表明，本港重现期二十年一遇的台风增水为1.60m，五十年一遇的台风增水为1.85m，一百年一遇台风增水为2.04m。

表1-3 厦门港台风暴潮重现期
③、潮流
高集海峡是东西潮流顶潮地带，开始涨潮时流向由西往东，涨潮后约1.5时左右东西两潮相遇于海堤附近，往后由于东边海域进潮量大于西边。

水流方向转为自东北向西南直到满朝为止。

退潮时由于东边排潮量较大，水流方向自西南向东北，退潮后约2小时左右，海峡潮流也在海堤附近向东西分流，海堤就建筑在东西两边的会流及分流所自然形成的沙脊淤积地带。

由于北通道桥区海域无实测流速资料，潮流情况根据《厦门航空港物流园区围填工程水动力环境数值模拟专题研究》的计算结果，见表1-4。

桥位处水流平缓，没有急流、旋涡和强大的紊流区。

航道主流纵向流速在0.4m/s 以下，为往复流。

⑵、桥址水文设计值
①、设计水位
根据1954年至1998年（共45年）厦门海洋中心站含有台风增水影响的实测年极值高（低）潮位系列，按第一型极值分布律计算厦门海洋站不同重现期的高（低）水位，结果见表1-5。

表1-5 厦门海洋站不同重期高、低潮位置单位：米
桥位处设计水位H1/300=8.12m（56黄海高程为4.88m）
②、最高最低通航水位
按照《通航海轮桥梁通航标准》，跨海桥梁的设计最高通航水位采用当地历年最高潮位。

设计低水位采用低潮累计频率90%的潮位。

北通道通航净空标准水位按《通航海轮桥梁通航标准》的规定选取。

设计高水位 4.54m （56黄海高程，下同）
设计低水位 -2.35m
③、波浪
桥区位于厦门岛西北海域，本工程地点风区长度F均小于20km，根据交通部规定的《海港水文规范》规定，波浪计算方法采用小风区方法计算，风向长度量自海图5619号，1：50000，见表1-6。

表1-6 波浪计算结果表
⑶、桥墩冲刷计算，见表1-7
表1-7 桥墩冲刷计算
2、通航要求与航道条件
⑴、设计通航水位
设计最高通航水位依据桥区附近长期验潮站资料，按“通航海轮桥梁通航标准”规定采用。

⑵、代表船型
考虑桥区的航道条件、船舶运输现状和规划，采用100DWT杂货船作为通航代表船型。

表1-9 通航代表船型尺度表
⑶、通航孔布置及通航净空尺度
通航孔布置依据水道断面现状、预测通航密度、通航要求及桥梁结构布跨特点进行布设。

通航孔仍布设在现有高崎航道处，航道距高崎岸侧约200m，桥位处平均水深5m。

双向通航净宽70m；双孔单向通航净宽36.6m。

净高不小于7.5m控制。

⑷、航道条件
①、通航条件
目前除靠近高崎侧航道附近还留有宽约170m的水道外，其余海床标高均在0m线以上。

高集海堤在高崎侧航道处设有一个通航桥孔，高11.7m，长24.1m，宽13.3m，水深约3m。

与高集海堤平行的既有厦门大桥位于高集海堤东侧，主桥桥轴中心至海堤公路边缘距离，集美岸为155m，高崎岸为230m。

主桥为46孔45m等跨等截面预应力混凝土连续箱梁，全长2070m.通航孔净高约14.5m，4个可通航桥孔可通航水深3.9-5m。

桥墩中心距离45m，墩宽6.4m，通航桥孔净宽38.6m。

高崎侧航道呈东北-西南走向穿过拟建公铁两用桥推荐桥位，连接高集海堤东侧的东咀湾与西侧的马銮湾，航线在桥区上下游基本顺直。

航道距高崎岸侧约200m，桥位处平均水深5m，目前只有100t级左右的挖砂船行驶。

航道未进行过治理工程，从海床演变趋势看，淤积比较严重。

②、水流条件
桥位处水流平缓，没有急流、旋涡和强大紊流区。

航道主流纵向流速在0.40m/s 以下，为往复流，对船舶航行影响不大，桥区航道水流条件是比较好的。

今后集美海堤打开后对桥区航道稳定、水流流态产生的影响，应进行模型试验予以论证。

二、平台受力计算
1、编制依据
⑾、《福厦铁路厦门公铁大桥公路桥工程勘察设计初步设计》文件
⑿、《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）
⒀、《桥涵设计规范》（合订本）
⒁、《钢结构设计手册》
⒂、《公路工程技术标准》JTG B01-2003
⑹、《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004
2、平台设计
⑴、根据设计要求选用KTY4000型钻机，钻机工作荷载包括钻机自重、配重、钻杆重量、空压机重、泥浆池重，考虑1.1的冲击系数。

⑵、50t吊车需上钻孔工作平台下放钢筋笼，考虑30t的吊重，总重量为80t。

⑶、除钻机荷载和吊车荷载外，平台其它部位按一般人行荷载和机具荷载计算。

⑷、平台设计时考虑钢管桩的净距满足钢围堰下沉的要求。

①、设计基本资料
钻孔平台顶标高与栈桥平齐，定为+7.4m。

资料：设计高水位：+4.54m（56年黄海高程），设计低水位：-2.35m ；
20年一遇的台风增水为1.60m，
最大垂向平均流速为0.77m/s，
桥位处平均水位高为3.22m（含台风增水影响）。

波浪：H1/% =3.10m(50年一遇)。

桥墩处冲刷：
1～25：一般冲刷： 0.32m ；局部冲刷 3.96m ；
26～35：一般冲刷：0.46m ；局部冲刷 3.82m ；
36～48：一般冲刷：0.48m ；局部冲刷 3.93m；
59～73；78～83：一般冲刷：0.35m ；局部冲刷 3.87m ；
74：一般冲刷： 0.87m ；局部冲刷 1.62m ；
75：一般冲刷：1.22m ；局部冲刷 1.91m ；
76：一般冲刷：1.08m ；局部冲刷 1.78m ；
77：一般冲刷：0.46m ；局部冲刷 3.55m ；
河床覆盖层：淤泥；
瞬时最大风速达到60m/s （5903号台风）。

②、设计荷载： a 、流水压力计算
根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60--2004，第4.3.8条： 2
2V P KA
g
γ= (1.1)
式中：
γ-- 水的容重，取用10kN/m 3；
V-- 设计流速，按最大垂向流速0.77m/s 计算； g-- 重力加速度9.81m/s 2；
A-- 阻水面积，计算至一般冲刷线处； K-- 形状系数，查表取值为1.3。

b 、钻孔平台水流压力
虽然平台高程在+7.4m ，但考虑到浪高等因素，设计中应计算平台的水流压力。

水位：按平均高潮位+4.54m 计算，施工期间总冲刷线标高取用－16.9m ，水流压力呈倒三角形分布，水面处流速最大，局部冲刷线处为零。

钻孔平台的水流压力近似按矩形计算，桩顶以上部分考虑施工平台多重阻水构件的影响，按实体结构计算阻水面积：
2168.2035.944.21m A =⨯=
2
2
100.771.3203.6880229.81V P KA KN g γ⨯==⨯⨯=⨯
(1.2)
c 、单根钢管桩的水流压力
钢管桩的水流压力按倒三角形计算，则桩身应考虑群桩效应计算阻水面积，则：单根桩的计算宽度：
d K K K b f ...01=
式中：d --与外力H 作用方向相垂直平面上桩的宽度（或直径）； f K --形状换算系数，查表知：圆形截面桩取0.9； 0K --受力换算系数，查表知为d
1
1+
；
K --桩间的相互影响系数； 当116.0h L ≥时，0.1=K 式中：1L --桩间净距；
1h --桩在地面或最大冲刷线下的计算深度，可按下式计算：()m d h 131+=，但不得大于桩入土深度。

()()1
11116.05.488.28.46.06.08.416.03135.46.01.5h L h d h m L >==⨯==+⨯=+==-=；；
取0.1=K
m d K K K b f 44.16.00.1)6
.01
1(9.0...01=⨯⨯+
⨯== 工况1：平台施工期间钢管桩流水压力计算（冲刷总深度至-14.43m ）
232.2797.1844.1m A S =⨯=
根据《公路桥涵设计通用规范》JTJ D60-2004，第4.3.8条：
KN g V KA P 60.681
.9277.01032.278.022
2
=⨯⨯⨯⨯==γ 工况2：钻孔桩施工期间钢管桩流水压力计算（冲刷总深度至-14.73m ）
275.2727.1944.1m A S =⨯=
根据《公路桥涵设计通用规范》JTJ D60-2004，第4.3.8条：
KN g V KA P 70.681
.9277.01075.278.022
2
=⨯⨯⨯⨯==γ d 、单根钢护筒的水流压力
钢护筒的水流压力按倒三角形计算，则桩身应考虑群桩效应计算阻水面积，则：单根护筒的计算宽度：d K K K b f ...01=
钢护筒直径按2.1m 考虑，则钢护筒间净距为：
()()1
11116.00.358.53.96.06.03.911.23130.31.21.5h L h d h m L <==⨯==+⨯=+==-=；；
式中：1b --与外力作用平面相互平行所验算的一排桩数n 有关的系数；此处
47>=n ，所以取45.01=b ； ()()75.03
.96.00.345.0145.06.011
1
11=⨯⨯-+
=-+
=h L b b K
m d K K K b f 79.21.20.1)1
.21
1(9.0...01=⨯⨯+
⨯== 276.5327.1979.2m A S =⨯=
KN g V KA P 0.1381
.9277.01076.538.022
2
=⨯⨯⨯⨯==γ
e 、船舶撞击力计算：
钻孔平台施工期间将受到船舶的干扰，尤其在高水位发生船舶失控随水流漂移时，对工作平台的影响较大，因此，在施工期间要完善水上交通管制措施加以预防，同时钻孔平台在结构布置上进行必要的设防。

根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60--2004第4.3.8条计算船舶撞击力：
WV
F gT
=
(1.3)
式中：
W-- 船舶吨位，取用100DWT 杂货船计算；
V-- 水流速度，按20年一遇水位的最大流速0.77m/s 计算； g-- 重力加速度9.81m/s 2； T-- 撞击时间，一般取用1s 。

10000.77
78.59.811
WV P KN gT ⨯=
==⨯ (1.4)
计算结果较《公路桥涵设计通用规范》(JTJ 02189) 附表4中内河一级航道横桥向方向上游端250kN 的船撞力小，为安全起见，在施工中采用在钻孔平台上游设分开的防撞击的防护结构桩的措施，消除其对钻孔平台的影响，根据《公路桥涵设计通用规范》(JTJ 02189)附录四要求，当设有与钻孔平台分开的防撞击的防护结构时，可不计船只撞击力。

f 、风力
⑴、横桥向风压计算：
Z —距地面或水面的高度，取4.18m ；
γ—空气重力密度，γ=0.012017e -0.0001Z =0.012kN/m 3； Vd —高度Z 处的设计基准风速，取Vd =60m/s ； g —重力加速度,g=9.81m/s 2；
k0—设计风速重现期换算系数,取1.0(考虑厦门为台风多发期地区)； k1—风载阻力系数,取2.2； k3—地形、地理条件系数,取1.0；
Wd —设计基准风压，Wd=γVd 2/2g=2.2kN/m 2； AWh —横向迎风面积，Awh=4.18×9.5=39.71 m 2；
013 1.0 2.2 1.0 2.239.71192.2Wh d Wh F K K K W A KN
==⨯⨯⨯⨯= (1.5)
⑵、纵桥向风压计算：
纵桥向风压为横桥向风压的50%，所以，风在纵桥向作用于平台上的力为96.1KN 。

g 、钻机对钻孔平台产生的作用力
①、2台KTY4000型钻机对钻孔平台产生的竖向力以1200kN/台（包括导管重量及钻机自重）计；
②、每台钻机对平台产生的水平力：36kN/台（最大扭矩按210kN ·m 考虑）； ③、储料斗重量：620kN/个 ④、其它施工荷载：2.5kN/m 2 。

h 、驳船对钻孔平台的作用力：
驳船沿横桥向锚固于钻孔平台上，在水流及风力作用下将对钻孔平台产生一定的作用力。

①、泥浆船在水流压力作用下对钻孔平台产生的力：根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60--2004，第4.3.8条：
2
2V P KA g
γ= (1.6)
驳船长、宽、高分别为29m 、5.3m 、5.5m ，施工状态时最大吃水深度约1.5m 。

最大水流速度V 按0.77m/s 考虑；
横桥向阻水面积：25.435.129m A =⨯=； 泥浆船按流线型考虑，取K ＝0.75，则： 横桥向水流压力为：
KN g V KA P .86.981
.9277.0105.4375.022
2
=⨯⨯⨯⨯==γ
②、驳船在风力作用下对钻孔平台产生的力： 横桥向风压：
20130131.0, 1.3, 1.0, 2.2,
21.0 1.3 1.0 2.2[29(5.5 1.5)]331.76d
d Wh d Wh V K K K W g
F K K K W A KN
γ=======⨯⨯⨯⨯⨯-= (1.7)
i 、波浪力
取50年一遇H 1%浪高3.10m 计算，根据盖拉德经验公式计算浪长：
H L 33~17=（H 为浪高），取L ＝20H ＝20×3.10＝62.0m 。

对于圆形柱桩当D/L(
3107.962
6
.0-⨯==L D )≤0.2时为小尺寸桩柱（D 为桩径）用下式计算波浪力：
max max
22220.785tanh(
)40.167[1)]
4sinh()
V L V D d
P K D H L
d
P K D H d L L
πγπγπ==+ (1.8)
式中：m ax L P --水平波压速度分力的最大值，出现在波峰位置处0=t ϖ；
m ax D P --水平波压惯性分力（由加速度引起）的最大值，出现在波峰和1/4波
长之间︒=270t ϖ；
V K --建筑物附近速度修正值，
12.0107.962
6.03<⨯==-L D ，所以V K 取1.00； D --桩径，0.6m ； d --静水水深；为21.44m
H --浪高，取3.10m ；
γ--水的容重，取10KN/m 3
KN
L d H D K P V L 76.86244.212tanh 10.36.0100.1785.02tanh 785.022max =⎪⎭⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯==ππγ
KN
L d L d DH K P V D 63.96244.214sinh 6244.214110.36.0100.1167.04sinh 41167.02222max =⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=⎥⎥
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡
+=ππππγ因为KN P P L D 38.476.85.05.0max max =⨯=>，所以最大波压用下式计算：
KN P P P P D L D 62.1163.976.825.0163.925.0122max max max max =⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+= ③、平台计算
a 、工况1：插打钢管桩
此时，钢管桩仅受水流冲击力作用，分着床前与着床后分别计算钢管桩强度及稳定性。

⑴、着床前钢管桩强度及稳定性验算：
因为在插打钢管桩施工过程中工期较短，河床冲刷较浅，所以，河床总冲刷深度至-14.43m 考虑即可，水流速度取0.77m/s ，则单根钢管桩受到的水流压力为参见图3-1：
232.2797.1844.1m A S =⨯=
根据《公路桥涵设计通用规范》JTJ D60-2004，第4.3.8条：
KN g V KA P 60.681
.9277.01032.278.022
2
=⨯⨯⨯⨯==γ
图3-1着床前钢管桩所受最大弯矩示意
Mpa
Mpa W M m t D W KNm pl M 170][14.17101083.21051.481083.201.06.07854.07854.051.4835.76.69
36
max 3322max =<=⨯⨯⨯==⨯=⨯⨯===⨯==--σσ， 稳定性验算：因为此时钢管桩在重力作用下受拉力，故不做稳定性验算。

⑵、着床后钢管桩强度及稳定性验算参见图3-2：
Mpa
Mpa W M m t D W KNm pl M 170][5.29101083.21049.831083.201.06.07854.07854.049.8365.126.69
36
max 3322max =<=⨯⨯⨯==⨯=⨯⨯===⨯==--σσ，强度验算：
)
95.19(05.395.2955.91083.21049.8301884.010********.001.06.014.33
3
3max 2
Mpa Mpa W M A N m Dt A -=±=⨯⨯±⨯=±==⨯⨯==-σπ
图3-2着床后钢管桩所受最大弯矩示意
稳定性验算：根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》JTJ 025-- 86 表1.2.16--1可知：
][121σφμφφ≤⨯+m
m W M A N 式中：N --计算轴向力； M --构件最大计算弯矩； m A --毛截面积； m W --毛截面抵抗矩；
1φ--轴心受压构件的纵向弯曲系数，根据钢种、截面形状及弯曲方向等按表
1.2.16--2采用；
3
.119212
.03.253.2565.1222212.06.0354.0354.000====⨯===⨯==i L m L L D i λ，λ＝L0/i ；
所以，3.119212
.03
.250===
i L λ，
由《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》JTJ 025-- 86 表1.2.16--2查得：φ1＝0.446；
2φ--构件只在一个主平面受弯时的纵向弯曲系数（若是压弯杆，可按0=N 的情况取值来确定2φ），在不作进一步分析时，可按1.2.16--4计算构件的换算长细比e λ，并按e λ由表1.2.16--2查得相应的1φ以替代2φ；
α--系数，焊接构件取1.8；铆接构件取2.0；
0L --构件对y y -轴的自由长度；
x r 、y r --构件截面对x x -轴（强轴）和y y -轴（弱轴）的回转半径；
h --由表1.2.16--1可知为钢管桩直径，取0.12=φ；
μ--考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值；
当
][15.01σφ≤m
A N
时，取0.1=μ； 当][15.01σφ≤m A N
时，取m EA N n m
)1(221πλμ-=； Mpa Mpa A N m 11.13196446.015.0][15.055.901884.01018013=⨯⨯=<=⨯=σφ 所以，取μ＝1.0。

Mpa
Mpa W M A N m m 100196446.071.2216.1355.91083.21049.830.10.1446.001884.0101803
3
321=⨯<=
+=⨯⨯⨯⨯+⨯=⨯+-μφφ 经过上述计算得知所以，钢管桩在施工过程中的稳定性均满足要求。

b 、工况2：钻孔灌注桩施工（2台钻机同时施工时） 参数取值：
施工钻孔灌注桩过程中，水流速度取0.77m/s ，水位取+4.54m ，河床冲刷深度为：一般冲刷为-14.43m ，局部冲刷为-14.73m ，水流压力、风力等计算同前。

荷载组合：
取施工时最大荷载。

由于船撞力的随机性较大，在横桥向会产生较大的水平荷载，顺桥向也可能产生一定的水平荷载，但在实际施工过程中采用在钻孔平台加打防撞钢管桩的措施，以消除其对钻孔平台的影响，根据规范要求在钻孔平台计算中可不计入此力。

竖向荷载：平台自重＋钻机重量＋其它施工荷载＋储料斗重量
水平荷载：施工状态最大流水压力＋钻机产生的水平力＋波浪力＋驳船锚固力＋风力
表3-1 钻孔平台施工状态荷载组合表
c 、竖向荷载
以50T 吊车吊30T 重为控制荷载，为安全起见，考虑1.1的安全系数，则控制荷载为880KN 。

则平台桥面钢板的荷载为P ：
()21.1500300136.65/20.7 4.6
G P KN m A ⨯+=
==⨯⨯
(1.9)
考虑到面板为δ=12mm 正交异形板，强度比较高，不必进行计算。

⑴、I12.6钢分配梁受力（间距为35cm ）：
每条履带吊下面有3根I12.6钢分配梁，则每根I12.6钢分配梁受力为P1
()1 1.1500300146.6723
G P KN A ⨯+=
==⨯I12.6钢分配梁受力模型为q=31.88KN,受力
模式图参见图3-3：
图3-3 I12.6钢分配梁受力模型
导入SAP2000有限元计算软件：
max 6
max 3
2.95.,
2.951038.11[]17077.410
M KN m M Mpa Mpa W σσ=⨯===<=⨯ (1.10)
⑵、H350钢（间距为100cm ）：
最大支反力为33.92KN,反作用于H350钢上，其受力简图参见图3-4。

图3-4 H350钢分配梁受力模型
导入SAP2000有限元计算软件：
max 6
max 3
104.37.,
104.3710133.47[]17078210M KN m M Mpa Mpa
W σσ=⨯===<=⨯ (1.11)
⑶、H600钢（间距为465cm ×510cm ）：
最大支反力为127.02KN,反作用于H600钢上，其受力简图参见图3-5。

图3-5 H600钢分配梁受力模型
导入SAP2000有限元计算软件：
max 6
max 3
403.37.,
403.3710154.55[]170261010
M KN m M Mpa Mpa W σσ=⨯===<=⨯ 最大支反力为383.61KN,反作用于钢管桩上。

钢管桩承受的最大压力P
()
()
2222233.140.60.580.018544
170100.01853145D d A m P A KN
πσ-⨯-=
=
===⨯⨯=
(1.12)
d 、钢管桩入土深度
对现有地质资料，取WT2地质钻孔资料来计算贝雷栈桥桩入土深度，孔口高程为-4.10m 。

土层分布自上而下为：淤泥，层厚12m ，作为安全储备；残积砂质粘性土，层厚5.5m ，τi =70kPa ，σR =300kPa ；全风化花岗岩，层厚4.3m ，τi =70kPa ，σR =350kPa ；强风化花岗岩τi =100kPa ，σR =500kPa 。

Φ600桩
单根桩所受最大轴向力P=383.61kN ；因桩所受最大轴向力已求得，故可用下式估算桩的入土深度：
初步估算以下参数:
土面以上桩的自由长度L 1=9.422m 土面以下桩的长度L 2=(L 3+17.5)m 桩自重G=(1.48L 3+39.84)kN
沉桩的容许承载力［P ］=383.61+1.48L 3+39.84
=423.45+1.48L 3 kN
由公式［P ］=（U ∑αi l i τi +αA σr ）/2得 423.45+1.48L 3 =0.5×[3.14×0.6×70L 3 +6.48] L 3=0.89m
所以桩入土深度为L2=0.89+17.5=18.39m 。

e 、钢管桩强度计算
内支撑为φ600×δ10（φ600×δ8）钢管，其能承受的最大力为
KN
KN A P KN KN A P m A m A 61.3839.25271017001487.0][61.3833145101700185.0][01487.00185.0322max 311max 2221>=⨯⨯==>=⨯⨯====σσ，
，
（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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