特大型桥梁深水桩基平台施工过程受力特性及施工技术研究

摘要

随着我国交通事业的蓬勃发展，一大批跨越大江大河、甚至跨海湾的特大型桥梁正如雨后春笋般建立起来，我国独特的深水高桩承台钻孔群桩基础已成为引领世界桥梁工程基础的主流型式之一。钢护筒施工平台体系是适应特大型桥梁深水桩基的施工需要而发展起来的一种新的施工技术，它是将灌注桩的钢护筒作为施工平台的主要支承桩，与定位或辅助钢管桩共同承力，利用超长大直径钢护筒的连接来保证平台整体刚度；一般由钢护筒、钢管桩、钢管桩与钢护筒之间的平联系统、钢管桩与钢护简顶部的分配梁以及平台面板几部分组成。钢护筒施工平台对于墩位区水深流急、风疾浪大的超长灌注桩施工，有明显的优越性和可行性，是很有推广使用价值的深水桩基施工平台体系。特大型钢护筒平台的施工，通常呈现出规模大、水域深、建设环境复杂、施工周期长等特点。因此，为了保证工程建设的速度与安全，也为了促进深水桩基施工技术的发展和规范化进程，对钢护筒施工平台施工过程力学特性进行研究，有重要的理论意义和实际应用价值。 钢护筒施工平台是一类特殊的结构体系，与一般工程构筑物有一定的差别，且目前尚没有设计依据可循。本文以苏通长江公路大桥基础工程为背景，综合借鉴海洋平台、大型复杂空间结构、海底管线等结构的相似特点及成熟理论，对特大型钢护筒施工平台的结构选型、动力荷载等效方法、设计计算方法进行系统地分析研究，探讨了相关规范的适用性。研究结果表明，平台支承桩单桩应特别进行流致振动的稳定性验算；作用于平台超长支承桩上的水流力、波浪力、风荷载的静力等效方法可参照港口工程、海港水文相关规范近似计算，结果偏于安全且兼顾经济性。 应用施工力学及有限元理论，采用基于时间冻结的增量迭代方法对钢护筒平台进行施工全过程受力特性分析，并研究了不同计算方法、不同施工顺序对结构最终力学状态的影响。研究结果表明，钢护筒施工平台的刚度是逐渐形成的，其最危险工况并不是最后时步，而通常出现在最初几个时步。平台下平联构件的受力状态相对不利，与其施工过程中的累加性和“路效”密切相关。在仅考虑几何非线性的计算模型中，施工顺序的改变对全过程分析结果在数值上影响不大，但合理的顺序能有效的改善结构的力学状态历程。施工全过程分析较常规整体分析能更好的反映平台形成过程的累积效应，有助于检查结构的薄弱环节；其结果与实测值的发展趋势具有良好的一致性，分析方法较为可靠。 以涡致振动理论为基础，对单根超长钢护筒进行了振动稳定性流固耦合分析；总结了流速、钢护筒桩体直径及厚度的变化对钢护筒桩体的影响规律，并应用于工程实践。研究结果表明，在深水域高速流体中，单根钢护筒的遮流效应十分明显；计算所得的流速分布规律与规范规定的遮流效应折减系数非常一致。在高速流体中的桩体稳定性关键在于涡致振动。 考虑附连水质量与水动力阻尼的影响，对两种施工平台的动力特性进行了对比分析；并以随机振动理论、莫里森方程(Morison)为基础，进行波浪频谱与波浪力谱的转换，采用谐波叠加法模拟了随机波浪力的时程曲线，对钢护筒施工平台波浪响应在频域和时域内进行了分析。研究结果表明，钢护筒施工平台的各阶自振频率较高，频率之间差值较小，平台振型复杂。附连水质量使结构自振频率降低，降低的幅度随频率阶次的增加而增大，对振型规律则不造成影响。随机波浪荷载的动力效应显著，频域、时域内的动力响应分析对平台性能的评估与施工全过程分析、动力特性分析的结论一致，使各计算方法互为验证。 应用海洋平台结构优化理论、结构选型理论，对钢护筒施工平台进行基于离散变量敏感性的结构选型分析，提出优化建议；并在总结钢护筒平台关键施工技术的基础上，尝试发展了适用于施工平台的监测技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2桥梁深水桩基施工平台体系的研究现状

1.3课题立论依据

1.4本文的主要工作

第2章施工平台的设计计算理论研究

2.1引言

2.2工程背景

2.3结构选型研究

2.4荷载等效方法研究

2.5设计计算方法研究

2.6本章小结

第3章平台施工全过程的受力特性研究

3.1引言

3.2工程概况

3.3施工全过程的受力特性分析方法

3.4南主塔平台施工全过程的受力特性分析

3.5对比分析研究

3.6本章小结

第4章单桩涡致振动分析

4.1引言

4.2涡致振动

4.3圆柱体涡致振动分析

4.4单桩涡致振动分析

4.5涡致振动分析的工程应用

4.6本章小结

第5章施工平台随机波浪荷载作用下的动力响应分析

5.1引言

5.2随机波浪理论及其计算方法

5.3施工平台的动力特性分析

5.4钢护简施工平台在随机波浪荷载作用下的动力响应分析

5.5本章小结

第6章施工平台结构选型优化及施工技术研究

6.1引言

6.2施工平台结构选型优化

6.3特大型钢护筒平台施工技术

6.4平台信息化施工技术

6.5本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

个人简历在学期间发表的学术论文及研究成果