苏通大桥主5号墩钻孔平台设计

2005年3月　

华　中　科　技　大　学　学　报(城市科学版)

J.ofHUST.(UrbanScienceEdition)Vol.22No.1Mar.2005

苏通大桥主5号墩钻孔平台设计

任回兴1,2

(1.华中科技大学　土木工程与力学学院,湖北　武汉　430074;2.中国路桥集团　第二公路工程局,陕西　西安　710065)

摘　要:苏通长江大桥基础施工处在复杂的地质、水文以及气象条件下,针对苏通大桥主5号墩钻孔施工,介绍其工作平台的结构选择、工况分析、荷载取值方法以及施工结构的处理要点.该平台的设计成功,为跨江大桥或其它类似工程提供宝贵的设计思路和经验.

关键词:苏通大桥;　主5号墩;　桩基础;　钻孔平台;　施工工况

中图分类号:U442.5+3　　文献标识码:A　　文章编号:167227037(2005)0120030205

1　工程概况

苏通长江大桥(简称大桥)是江苏省规划建设的长江最下游跨江大桥,主跨采用1088m的双塔斜拉桥,大桥的建设将代表我国乃至世界21世纪的建桥水平.主5号墩为大桥南主塔墩,基础采用钻孔桩群桩基础.桩基为131根D2.8～2.5m钻孔桩(护筒内径2.8m),梅花形布置,按照摩擦桩设计,桩长114m.由于需要承受较大的水平力,考虑护筒与桩基共同受力.承台为哑铃形,在每个塔柱下承台为51.35m×48.1m,其厚度由边缘的5m变化到最厚处的13.324m,顶部与塔柱的接触面垂直于索塔塔柱的中心线.两承台之间采用12.65m×28.1m系梁相连,系梁的厚度6m.承台设有4根备用桩位(图1).

大桥的建设条件有四大特点:气象条件差、水文条件复杂、基岩埋藏深及通航标准高.

气象条件差表现在长江口附近台风影响频繁,龙卷风经常出没,对结构和施工影响较大.水文条件复杂主要反映在以下三个方面:项目所在河段为强潮汐河段,涨落潮流速流向多变;水深流急,1999年实测垂线平均流速达3.86m󰃗s,点流速4.47m󰃗s;江面宽阔,桥位处江面宽达6000m.桥位基岩埋深一般在270m以下,覆盖层的上部以淤泥和粉砂为主,较好持力层在-80m以下.大桥通航标准净空采用代表船型5万吨级集装箱船控制,净空高度要求不小于62m,净空宽度采用代表船型4.8万吨级大型驳船船队控制,

收稿日期:2004208224.

净空宽度要求不小于1m;同时还要求边孔满足净空宽度不小于220m,净空高度要求不小于24m的辅助通航孔和净空宽度不小于220m、净空高度要求不小于39m的专用通航孔.要保证在如此复杂条件下顺利完成桩基础施工,选择合适的平台结构形式和安全经济的分析方法,显得尤为重要.

2　钻孔平台结构方案选取

2.1　钻孔平台功能选定

主5号墩距离岸线约1.5km,为保证生产生活,将平台分为上游的办公箱变区、中间的钻孔区和下游的混凝土拌和区.办公箱变区主要安放平台上的办公室、箱式变压器及发电机组,确保施工用电供应;钻孔区即钻孔灌注桩布置区,是钻孔平台最主要的功能区;混凝土拌和区将安装混凝土拌和站,负责桩基础、封底和承台混凝土的生产(图2).

2.2　钻孔平台的结构选定

按照施工布局,总体上有两种方案,一种是常规支架施工平台,另一种就是钢护筒平台方案.

.平台钢管桩共153根,a.支架施工平台方案

其中支撑桩129根,靠船桩24根.平台最上游和最下游各设有两排八字桩,以增加平台抵抗流水压力的能力及减小平台顶面位移.平台钢管桩共有斜桩56根,倾角12.5°,钢管桩直径为51.4m,由壁厚为∆=20mm的钢板卷制而成.

平台主分配梁为8排横桥向贝雷架,次分配

作者简介:任回兴(19662),男,博士研究生;武汉,华中科技大学土木工程与力学学院(430074).

第1期任回兴:苏通大桥主5#墩钻孔平台设计　　　　・31・

梁采用31组󰂪60轻型工字钢,上铺20槽钢做为

脚手板支撑梁.钢护筒在+1.5m和+5.29m的位置设置两道平联,其中上层平联同时作为泥浆连通管和平台顶分配梁支撑梁,平联与钢护筒进

行焊接连接,节点按刚性节点处理.平台上的主要起重设备采用3台移动式动臂吊机,吊机轨道梁布置于钢护筒顶(图3).

图1　主5号墩基础结构布置示意

图2　主5号墩基础结构平面布置示意

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图3　支架钻孔平台方案示意

图4　钢护筒钻孔平台方案示意

　　b.钢护筒平台方案.主5号墩钢护筒平台方

案是以钢护筒作为主要受力结构,办公箱变区主承重结构为15根51.4m钢管桩;钻孔区即钻孔灌注桩布置区,是钻孔平台最主要的功能区,主承重结构为135根52.85m钢护筒;混凝土拌和区

主承重结构为25根51.4m的钢管桩.办公区和混凝土拌和区分配梁采用型钢和贝雷架,钻孔区分配梁则直接利用承台吊箱板(图4).

.从施工进度、经济性及安全性等c.方案比较

方面综合比较,钢护筒施工平台属于最优方案,推

第1期任回兴:苏通大桥主5#墩钻孔平台设计

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荐采用(表1).

表1　钻孔平台方案比较

钢护筒钻孔平台

支架钻孔平台

直接利用钢护筒和钢构件相对标准,加工简吊箱底板作为平台结单.可以根据施工进展情构的一部分,工程量少况确定钻孔与平台搭设三个功能区域彼此联系充分重叠施工.结构受力优点又自成体系,拆装量小.

安全

增大构件截面尺寸,增加整体的刚度,结构受力好

钻孔区主受力杆件不施工工作量较为庞大,经

缺点标准,加工较为复杂济性差.采用标准构件时,补强局部构件工作量

大.平台搭设工期较长

3　结构设计

3.1　设计参数取值

a.水文地质条件

.水位:取20年一遇最高水位+4.3m;流速:主墩5%频率设计落潮垂线平

均流速为v=2.m󰃗s;流向:水流方向与基础轴线的夹角为8°～10°,取Α=10°计算;浪高:3.4m.

b.地质条件

.河床标高:-20.0m;地质资料:从河床至-52.0m范围内主要为亚粘土、粘

土,局部位置有淤泥质亚粘土,从-52.0m往下进入砂层,主要是粉砂与细砂,局部位置有粗砂;河床冲刷:因为已实施防护工程,综合考虑冲刷深度取5.0m.

c.气象条件

.基本风压:因没有风速实测资料,根据JTJ0212《公路桥涵设计通用规范》中3　全国基本风压分布图”,取基本风压为

0.8kN󰃗m2

(风速约为35.78m󰃗s);验算风压:验

算风压取值为1100N󰃗m2

(12级飓风,风速约为41.95m󰃗s).3.2　计算荷载及工况

a.主要荷载(表2).风荷载:按JTJ0212

取基本风压800Pa;波浪力:每根桩作用力为65kN,作用在钢管桩顶;流水压力:按倒三角形沿水深(水面至-25m)分布,每根钢管桩作用力为197kN;平台自重:办公区、贝雷和分配梁、施工荷载、钻机(考虑提钻按140t计)及砂石料;动臂吊机:吊重时偏载,单侧最大作用力250t,相对应的另一侧作用力为85t;驳船撞击力及锚船力:每根靠船桩横向撞击力

为14t,纵桥向锚力为7t.

表2　主要荷载数据表

荷　　载

说明单根钢管桩流水压力19.7t,单根钢平台形成护筒的流水压力22.1t;单根钢管桩后,平台上󰂪

和钢护筒波浪力6.5t,作用于顶端;无竖向荷风压0.8kN󰃗m2,平台重2880t(钢载

板、分配梁、贝雷片)

4台动臂吊机施工(1200t),水平力󰂫12×4=48t

单个吊机单侧最大压力250t,相对另一侧85t

󰂬钻机8台(各140t).平台钻孔

办公区重40t(2.5kN󰃗m2);箱变设办公区和󰂭备重15t;料场砂石重600t;水泥罐拌和站工

和筒仓760t(8个).

作󰂮

纵桥向水平锚力7t;横桥向水平推撞船力

力14t

　　b.荷载组合与工况.根据平台的设计以及施

工方案,按照表2的荷载分四种工况进行荷载组

合计算.

工况一:整体平台形成阶段(荷载󰂪+荷载󰂮).

工况二:钻孔阶段(荷载󰂪+荷载󰂫+荷载󰂬+荷载󰂭+荷载󰂮).

工况三:钻孔区部分拆除后办公区和拌和区的使用阶段(荷载󰂪+荷载󰂭).

工况四:振动下沉首根钢护筒阶段(荷载󰂪中的流水压力、波浪力、风力和自重).3.3　计算模型与结果

a.模型建立

.利用SAP2000有限元分析程序建立三维有限元模型,钢管、平联和分配梁作为杆件,钢管桩顶与贝雷分配梁铰接(竖向约束、水平自由),其余均为固接(图5).

图5　平台总体计算模型

b.边界条件

.在设计冲刷线处(-25m)加自由度约束,按弹簧处理,在桩底-57.3m处按固

接处理.

c.计算结果分析

.通过整体模型计算分析,钢管桩平台方案有较大抗水平波浪和水压力荷载能力,各杆件应力均在Q235A钢材和Q345C钢材(护筒)容许应力范围内,平台设计变形和应力能满足施工需要(表3).

“附图《公路桥涵设计通用规范》(城市科学版)　　　　　　　　　　　　2005年　　　　　　　　　　　　　华　中　科　技　大　学　学　报・34・

表3　主要部位最大应力汇总表

部位斜剪刀撑

平联直钢管桩斜钢管桩钢护筒变形

最大轴力

󰃗t110(-60)104(-87)310(拌和区)3(-66)306(动臂吊机处)

最大弯距󰃗t・m6171351565

最大应力

󰃗MPa129779911457

　　通过4个月的艰苦奋战,大桥主5号墩的

131根钻孔桩全部完成.通过施工平台的设计,为工程施工提供有利的保障,在此期间,平台经受过两次9级以上的台风和一次天文大潮加台风的考验,平台岿然不动.

参

考

文

献

平台横桥向最大变形45mm,顺桥向6mm,

竖向5mm

[1]　JTJ04122000,公路桥涵施工技术规范[S].[2]　JTJ071298,公路工程质量检验评定标准[S].

PlatformDesignforDrillingConstructionofPier5inSutongBridge

RENHui2xing

1,2

(1.SchoolofCivilEng.&Mechanics,HUST,Wuhan430074;

2.SecondRoadEng.Bureau,ChinaRoad&DesignCo.,Xi’an710065,China)

Abstract:SutongBridgeliesinthebadgeologicalandcomplicatedhydrographicandchangeful.SomefactorsofPier5duringconstructionisintroducedwhichincludethemeteorologicalconditions

chooseoftheplatformconfiguration,theanalysisoftheworkcondition,thechooseofloadsandthemainmanagementsofconstruction.Thesuccessfuldesignofthisbridgeprovidessomesuggestivedesignmethodsandexperiencesforthesamekindofengineering.

Keywords:SutongBridge;pier5;pilesfoundation;platformfordrillingconstruction;work

conditions

(上接第29页)

AnalysisonBondStrengthattheInterfaceof

CentrifugeConcreteFilledSteelTube

YUANWei2bin　JINWei2liang

1

1

(1.Inst.ofStructuralEng.,ZhejiangUniv.,Hangzhou310027,China)

Abstract:Accordingtotheformerexperimentalresearchonbond2slipperformancebetweensteelandconcreteincompositestructures,themechanicsofthebondbetweentubeandcentrifugeconcretein

CentrifugeConcreteFilledSteelTube(CCFT)structuresareanalyzed,basedonwhichbondstrengthbetweentubeandcentrifugeconcreteinCCFTstructuresistheoreticallyderived.AcalculationmodelofbondstrengthandultimateloadofbondfractureareestablishedbyusingtheTepfersmechanicalmodelofthick2wallcylindersubjectedtotheinternalpressure.Examplesareprovidedtovalidatethebondstrengthanalysismethodandtheeffectsofbongstrengthcausedbysteelratio,concretestrengthlevelsandmicroscopicdeviationarediscussed.Allthesemaycontributetothefurther.analysisofperformanceofbondrelationbetweentubeandcentrifugeconcreteinCCFTstructuresKeywords:centrifugeconcretefilledsteeltube(CCFT);bondstrength;slip;thick2wallcylinder