某大型斜拉桥主塔钻孔平台设计

某大型斜拉桥主塔钻孔平台设计

左翼

中交二公局第一工程有限公司武汉430000

【摘要】大型桥梁深水桩基础需要钻孔平台进行各项施工作业。本文结合桥址水文和地质条件，设计了某主跨为920m的大型斜拉桥主塔钻孔平台，并建立有限元模型对结构进行了验算。结果表明：各工况作用下，钻孔平台受力满足设计和施工要求。后续的现场施工亦表明，该平台施工方便，适应各种气候施工，且具有足够的安全储备。该主塔钻孔平台设计方案可为同类工程的设计和施工提供参考。

【关键词】斜拉桥；钻孔平台；钢护筒；钢管桩

1工程背景

某920m主跨特大跨长江斜拉桥，Z11#索塔采用收腿的倒Y型造型，塔高251.41m，整体式承台。承台顶面标高14.47m，底面标高6.47m，尺寸为50.0×33.0×8m，圆端半径R=21.013m。承台下按梅花型共布置42根钻孔灌注桩，桩长87m，桩径2.5m。

工程区属亚热带湿润型季风气候。具有四季分明、气候温和、湿度较大、日照充足、雨热同季、无霜期长等特点。桥址区域多年平均风速为2.2～3.2米∕秒，最大风速达21.3米∕秒。桥址地下水水质较好，多为中性软～微硬淡水，存在对混凝土微腐蚀、对钢结构弱腐蚀性。每年的6月至9月为汛期，水位较高，流速较大，其它月份为低水位时期。汛期最高水位可达28.2m，主塔位置最大水深可达28m。汛期最大水流速度2.0m/s。根据钻探揭露：桥址区覆盖层主要为第四系冲洪积层（Q4al+pl）；下伏基岩为白垩-第三系（K2-R）砂岩、泥岩，在白垩-第三系（K2-R）砂岩、泥岩中发育有断层破碎带。深水基础施工。Z11#索塔桩长达到82米，位于深水区域、细砂河床。该水域流速急、流向乱、土层软弱；且有断裂破碎带等不良地质，地质条件复杂，这些不利因素是项目施工的关键[1]。

2大型主塔钻孔平台设计

主墩钻孔平台采用梁柱组合式机构，为钢护筒平台。横桥向长度为105米，顺桥向宽度为61米，由钢管桩、钢护筒、贝雷桁架以及分配梁和面板组成。钻孔平台采用119根Φ1020×10mm钢管桩和42根Φ2800×20mm钢护筒作为基础，钢管桩间设置型钢平联，钢护筒之间设置工45b型钢平联，平联同时兼做贝雷桁架承重梁。利用贝雷桁架作为主梁，横桥向布置，标准花架连接，贝雷桁架顶面布置I20a型钢，间距30cm，面板采用10mm厚钢板做为面板，面板与分配梁焊接固定。主塔钻孔平台钢管桩及钢护筒采用打桩船施工。其设计参数为：（1）施工期设计高水位：+28.20m；（2）设计流速：v=2.0m/s；（3）设计风速：23.9m/s；（4）平台顶标高：+31.00m；（5）河床标高：+1.8m；（6）河床冲刷深度：10.5m（最大局部冲刷深度）；（7）覆盖层：粉中细砂。

大型主塔钻孔平台结构包括：

（1）周边钢管桩：承台外围支栈桥、码头等平台的支撑基础为：73根Φ1020×10mm钢管桩，壁厚10mm，外径1020mm，单根钢管桩平均长约55米，入土深度27.87m。钢管桩最大间距为9.375m×7.0m，最小间距为6.0m×9.375m。

（2）钢护筒：主塔设42根Φ2800mm钻孔灌注桩，桩长87米，间距6.25m×6.25m。在每根桩位安装Φ2800×20mm钢护筒。护筒壁厚20mm，外径2800mm，护筒入土深度18.8米。

主塔钻孔平台钢管桩及钢护筒采用打桩船施工，相邻钢管桩和钢护筒施工到位以后，立即采用120T浮吊安装桩间横向联系，避免在水流作用下长时间自由悬臂而发生偏移，最后统一安装平台上部贝雷桁架、分配梁、面板及栏杆等附属设施。

图1Z11#钻孔平台总体平面布置图（单位：cm）

3设计计算参数

材料参数：贝雷材料为16Mn钢，其它材料采用Q235a钢。根据我国行业标准，贝雷桁片材料均为Q345钢，单排单层贝雷Mmax=788.2KNm，Qmax=245.2KN。

结构自重：结构自重有限元程序自动计入。

基本风压：根据《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004“附表A全国各气象台站的基本风速和基本支风压值”取基本风压为0.35kN/m2（风速约为23.9m/s），按照50年一遇取值[2]。

水流压力：计算流速取流速2.0m/s。平台考虑10.5m的冲刷深度，当冲刷深度超过3m时，将抛填大粒径碎石或片石进行防护。根据《公路桥涵设计通用规范》进行计算。

荷载参数：桩基钻孔施工采用KP3500钻机，主机重480KN，钻头及配重块重量240KN，钻杆重量33×13KN＝429KN（钻杆参数：1.3T（3.47m）/节）。钻机总重量G1＝480+240+429＝1149KN。考虑1.2冲击系数，则钻机荷载设计值G1=1.2×1149=1378.8KN。钻机荷载在钻孔平台顶面按边长3.6m、0.45m宽的均布荷载计。

罐车荷载：45t罐车共计为3个车抽，两个后轴每轴荷载为18T，前轴荷载为9T，

门吊荷载：80T龙门吊自重42T，跨径40m，施工过程中最大起吊质量按60T计，考虑起吊状态为靠近一侧支腿最为不利，跨比为6／34，经计算两侧轨道不计门吊自重的支反力分别为52.32t、7.68t，则单侧轨道计入门吊自重的支反力分别为51T和9T。

履带吊荷载：75t履带吊履带长：5.228m，履带宽：0.758m，则每侧履带荷载：132.5kN/m2，均匀分布于两条履带上。

4计算模型及结果

采用MIDASCIVIL2006整体建模分析。

在MIDASCIVIL整体建模中，钢管桩、平联、斜撑、贝雷桁架以及型钢均以梁单元建立，面板采用1cm板单元建立，钢管桩在嵌固点位置固结。

计算工况为：

竖向荷载：平台自重＋钻机重量＋履带吊工作荷载＋门吊工作荷载＋罐车荷载+平台堆载

水平荷载：施工状态最大流水压力＋钻机产生的水平力＋风力

工况分析：因平台使用周期长，施工期间，以上所列设备均同时施加。

图2钻孔平台整体模型

经计算可得，面板最大组合应力：147.5MPa，分配梁最大组合应力：117.3MPa，贝雷梁最大弯应力：201.7MPa，贝雷梁最大剪应力：147.4MPa，工56b承重梁最大组合应力：161.5MPa，平联钢管最大组合应力：118.8MPa，钢管桩最大组合应力：74.9MPa，各构件的应力均满足设计及规范要求。

钢管桩最大支反力：1156.4KN，钢护筒最大组合应力：48.74MPa，钢护筒最大支反力：1908.4KN。钢管桩和钢护筒承载能力容许值按以下公式计算[3]：

式中，P为单桩轴向受压承载力容许值（KN）；U和Li分别为钢管桩周边长度和入土深度（m）；τi和αi分别为桩周土极限摩阻力和摩阻力影响系数；根据地质资料，τ1~τ3分别取30kPa、45kPa和80kPa，河床冲刷深度为10.5米，计算可得钢管桩和钢护筒分别入土27.51m和18.8m可满足设计要求。

5结语

本文对某主跨为920m的大型斜拉桥主塔钻孔平台进行了设计，并建立有限元模型对结构进行了验算。结果表明：各工况作用下，钻孔平台受力满足设计和施工要求。后续的现场施工亦表明，该平台施工方便，适应各种气候施工，且具有足够的安全储备。该主塔钻孔平台设计方案可为同类工程的设计和施工提供参考。

参考文献：

[1]邵旭东主编.桥梁工程[M].人民交通出版社，2007.

[2]《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）[S].中华人民共和国交通部，人民交通出版社，2015.

[3]《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）[S].中华人民共和国交通部，人民交通出版社，2011.

作者简介：左翼，男，1983年1月生，湖北人，本科，工程师，主要从事道路与桥梁施工管理工作。