CN105887913A - 一种浅水区杆塔基础施工用钢构平台与栈桥结构设计方法 - Google Patents

Abstract

一种浅水区杆塔基础施工用钢构平台与栈桥结构设计方法，其特征在于，其包括如下步骤：确定钢构栈桥与平台结构所用材料；根据材料运输通道需要，确定栈桥宽度，栈桥长度由具体塔位离岸边距离，综合交通运输条件，施工难度确定；综合确定钢构平台外围尺寸；确定栈桥与平台设计荷载；明确结构计算假定，规定结构设计使用期限；平台与栈桥结构力学分析；确定钢构栈桥与平台适用范围，钢构栈桥平台和平台结构普遍应用于水面上施工项目，确定所设计的栈桥和平台结构的适用范围；规范栈桥与平台布置型式与构造要求，便于实际施工操作。本发明它能够有效解决传统的土石临时筑路和围堰筑岛施工土方工程量巨大、容易破坏周围环境以及水域养殖的赔偿难度大以及传统围堰筑岛施工周期长，围堰坝体易受水体的影响的问题。

Description

一种浅水区杆塔基础施工用钢构平台与栈桥结构设计方法

技术领域：

本发明涉及高压输电线路技术领域，尤其涉及一种钢构平台与栈桥结构设计方法。

背景技术：

随着我国经济建设和电网建设的发展，输电线路建设环境日趋复杂，由于我国水系分布较广，线路在圩区走线时，不可避免的有塔位位于水中。当前在水中立塔，通常采取土石修筑临时施工道路和围堰筑岛(土石或土袋+木桩围堰)的方式，这种传统的施工方案土石方量巨大、场地恢复困难，无法循环利用并且容易造成周围环境的破坏，特别是在鱼塘、蟹塘等养殖产地，将对其生态养殖造成较大影响，赔偿问题尤为突出。随着建设“资源节约型”、“环境友好型”社会的提出，当架空输电线路在水中立塔时，迫使电力建设者寻求更加经济、环保和高效的施工方法，这就需要对浅水区杆塔基础施工技术开展系统研究。

发明内容：

本发明的目的是提供一种浅水区杆塔基础施工用钢构平台与栈桥结构设计方法，它能够有效解决传统的土石临时筑路和围堰筑岛施工土方工程量巨大、容易破坏周围环境以及水域养殖的赔偿难度大的问题，能够有效解决传统围堰筑岛施工周期长，围堰坝体易受水体的影响的问题。

为了解决背景技术中存在的问题，本发明采用以下技术方案：

步骤1，执行现行《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》和《钢管脚手架扣件》规定，确定钢构栈桥与平台结构所用材料；

步骤2，根据材料运输通道需要，考虑现场流水作业人力车尺寸和施工人员交叉通行，确定栈桥宽度，栈桥长度由具体塔位离岸边距离，综合交通运输条件，施工难度确定；

步骤3，钢构平台外围尺寸则根据杆塔基础根开、钻机尺寸、杆塔单件最大长度、桩桩径、以及护筒放置空间等综合确定，以满足基础施工、杆塔组立 及放线阶段施工作业需要；

步骤4，确定栈桥与平台设计荷载，针对钢管脚手架平台和栈桥，根据具体施工方案，关注钻机发动机、变速箱及卷扬机、钻机转盘、钻机底座和钻机横梁、小型混凝土搅拌机、下料导管、钢筋笼、地笼、施工作业人员及混凝土运输推车的施工荷载，形成荷载标准值，同时结构受力分析，应根据使用过程中可能出现的荷载，考虑必要的动力系数，取其最不利组合进行计算，给出结构构件以及地基承载力荷载效应组合；

步骤5，①明确结构计算假定，规定结构设计使用期限，②所有钢管杆互相连结点按铰接，立杆支点在塘底下≮0.3m土壤内，按固定考虑，③斜撑杆内力按结构形式乘以形状系数；水压力按静水力压力计算，不考虑风浪和水的流动，④忽略钢管杆、扣件、竹胶板自重；荷载系数按规范取值；水平杆考虑承受不小于1.0kN/m2的施工维护荷载，⑤水中立塔支撑与围挡结构设计时，综合考虑塔位基坑周围环境和地质条件的复杂程度、开挖基坑深度、钻孔桩径与桩长等因素，考虑结构坍塌对施工人员、杆塔与基础施工和基坑周边环境安全的影响严重程度，留有足够的安全裕度，必要时提高结构安全等级，⑥钢构栈桥、平台结构设计以及地下水控制和稳定性验算应分别采用承载能力极限状态和正常使用极限状态；

步骤6，平台与栈桥结构力学分析

理论分析：钢构栈桥及平台主要通过纵向及横向水平杆受弯强度、挠度计算、跨度取值、扣件抗滑承载力验算、立杆稳定性计算，研究其布置形式及构造措施，规范规定针对钢管立柱计算承载能力应按概率极限状态设计法的要求，采用分项系数设计表达式进行设计，主要包括下列设计计算：

纵向、横向水平杆等受弯构件的强度计算；

立杆的稳定性计算；

立杆地基承载力计算；

立杆稳定性计算是钢管立柱计算的主要内容，在确保施工安全、保证立杆不失稳前提下，基于常见土层条件，可根据相关公式确定出立杆的临界几何长度；

数值模拟：借助有限元软件对钢构平台与栈桥主要水平杆受弯强度、挠度 、扣件抗滑承载力验算、立杆稳定性进行计算，研究其布置形式和局部加强构造措施；

步骤7，确定钢构栈桥与平台适用范围，钢构栈桥平台和平台结构普遍应用于水面上施工项目，确定所设计的栈桥和平台结构的适用范围：

(1)平台和栈桥竖杆的最小入土深度确定：

1)依据轴力大小确定竖杆最小入土深度：根据理论计算与有限元分析模拟得出的平台与栈桥钢管的最大轴力，把支撑的钢管视为微型钢管桩，依据《建筑桩基技术规范》计算最小入土深度；

2)依据变形量确定竖杆最小入土深度：失效分析表明，一旦个别杆件失效造成的后果比较严重，一般杆件的失效有多种，其中一种为杆件体系沉降不均匀造成部分杆件失效；

(2)钢管立柱的临界几何长度：

根据立杆稳定性计算是钢管立柱计算的主要内容，在确保施工安全、保证立杆不失稳前提下，基于常见土层条件，可根据相关公式确定出立杆的临界几何长度：

(3)各种水深情形下平台和栈桥结构适用范围：

根据不同的土质和水深情况，通过力学分析，设计相应的平台与栈桥结构尺寸与布置型式，对结构进行修改和分析，研究各种土质情况和多种水深情况下，结构立杆需打入硬土的深度，确定典型地质条件下，不同水深平台和栈桥结构适用范围，以指导平台和栈桥结构设计及施工；

步骤8，规范栈桥与平台布置型式与构造要求，便于实际施工操作：

(1)栈桥：

①依据水深和淤泥层厚度，根据荷载确定钢构栈桥钢管立杆长度和打入水下土层的最小深度(含淤泥层厚度)，两侧设安全护栏；

②栈桥立杆间距：据施工荷载定；

③横撑、斜撑设置：栈桥两侧每根纵向立杆设置插入塘底的斜撑，主梁钢管上铺设小横撑，栈桥立杆间间隔1设置一道剪刀撑，水面高度处设置纵横向扫地水平杆；

(2)施工平台：

①依据水深和淤泥层厚度确定钢构栈桥钢管立杆长度，打入水下土层的最小深度，临水侧均设安全护栏；

②立杆间距：计算确定，靠近桩孔位置处立杆应根据计算加密，最小间距0.3m，一般按0.5m进行加密，建议按线路走向和四塔腿对角走向的支撑脚手架钢管间隔加密，以满足钻机就位后平整、稳固；

③横撑、斜撑设置：立杆与主梁钢管连接，每隔一排钢管柱设置一排支撑，水面高度处设置一道扫地杆，平台根据基础根开及基础立柱大小预留4个桩孔位置用于埋设护筒；

(3)铺设脚手板：

①栈桥及操作平台搭设好后，在表面铺设竹板作为脚手板铺垫在钢管脚手架上，脚手板下横向每隔150～300mm设一道水平钢管；

②脚手板对接平铺时，两相邻脚手板应对接因严密，用铁丝牢固绑扎在主梁钢管上，接头处必须设不少于两道横向水平钢管，脚手板外伸不大于150mm；

③脚手板搭接铺设时，接头必须支在横向水平钢管上，搭接长度应大于300mm，其伸出横向水平钢管的长度应不小于150mm；

(4)扣件安装应符合下列规定：

①扣件规格应与钢管外径相同；

②螺栓拧紧扭力矩不应小于40N·m，且不应大于65N·m；

③在主节点处固定横向水平杆、纵向水平杆、剪刀撑、横向斜撑等用的直角扣件、旋转扣件的中心点的相互距离不应大于150mm；

④对接扣件开口应朝上或朝内；

⑤各杆件端头伸出扣件盖板边缘的长度不应小于100mm；

(5)平台、栈桥的栏杆和挡脚板的搭设应符合下列规定：

①栏杆和挡脚板均应搭设在立杆的内侧；

②上栏杆上皮高度应为1.2m；

③挡脚板高度不应小于180mm；

④平台和栈桥脚手板应铺满、铺稳，当采用对接或搭接时均应符合下述规定：

i)操作平台采用50mm厚的木板作为脚手板铺垫在钢管脚手架上，木板下横向每隔300mm设一道水平钢管；

ii)脚手板对接平铺时，接头处必须设两道横向水平钢管，脚手板外伸不大于150mm；

iii)脚手板搭接铺设时，接头必须支在横向水平钢管上，搭接长度应大于200mm，其伸出横向水平钢管的长度应不小于100mm；

Ⅳ)脚手板探头应用直径3.2mm的镀锌钢丝固定在支承杆件上；在拐角、斜道平台口处的脚手板，应用镀锌钢丝固定在横向水平杆上，防止滑动。

本发明具有以下有益效果：

(1)能够有效解决传统的土石临时筑路和围堰筑岛施工土方工程量巨大、容易破坏周围环境以及水域养殖的赔偿难度大的问题；

(2)能够有效解决传统围堰筑岛施工周期长，围堰坝体易受水体的影响的问题；

(3)钢构栈桥与平台已在浅水区杆塔施工早有应用，但尚未形成一套系统的理论计算方法，当前的钢构栈桥平台在搭设及基础施工过程中均存在一定的安全隐患，而且现行我国输电线路行业相关文件对浅水区杆塔基础施工方案未提出相关规定和指导性建议，实际工程中设计与施工无章可循，亟待探索浅水区水中塔位一套系统的规范化和标准化的工程解决方案，以指导后续同类工程建设。

附图说明：

图1为本发明栈桥结构搭设示例图；

图2为脚手板对接铺设构造示意图；

图3为脚手板搭接铺设构造示意图。

具体实施方式：

本发明采用以下方法：

步骤1，执行现行《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》和《钢管脚手架扣件》规定，确定钢构栈桥与平台结构所用材料。

步骤2，根据材料运输通道需要，考虑现场流水作业人力车尺寸和施工人 员交叉通行，确定栈桥宽度；栈桥长度由具体塔位离岸边距离，综合交通运输条件，施工难度确定，实际工程中常见的栈桥长度从5.0m～200m不等，当塔位最近塔腿距靠近岸边，可直接搭设平台，省去栈桥的设置。

步骤3，钢构平台外围尺寸则根据杆塔基础根开、钻机尺寸、杆塔单件最大长度、桩桩径、以及护筒放置空间等综合确定，以满足基础施工、杆塔组立及放线阶段施工作业需要。

步骤4，确定栈桥与平台设计荷载(设备自重、施工荷载、动力系数)。针对钢管脚手架平台和栈桥，根据具体施工方案，重点关注钻机含发动机、变速箱及卷扬机、钻机转盘、钻机底座和钻机横梁等)、小型混凝土搅拌机、下料导管、钢筋笼、地笼、施工作业人员及混凝土运输推车等施工荷载，形成荷载标准值。同时结构(构件)受力分析，应根据使用过程中可能出现的荷载，考虑必要的动力系数，取其最不利组合进行计算，给出结构构件以及地基承载力荷载效应组合。

步骤5，明确结构计算假定

①规定结构设计使用期限(施工周期)；

②所有钢管杆互相连结点按铰接，立杆支点在塘底下≮0.3m土壤内，按固定考虑；

③斜撑杆内力按结构形式乘以形状系数；水压力按静水力压力计算，不考虑风浪和水的流动；

④忽略钢管杆、扣件、竹胶板自重；荷载系数按规范取值；水平杆考虑承受不小于1.0kN/m2的施工维护荷载；

⑤水中立塔支撑与围挡结构设计时，综合考虑塔位基坑周围环境和地质条件的复杂程度、开挖基坑深度、钻孔桩径与桩长等因素，考虑结构坍塌对施工人员、杆塔与基础施工和基坑周边环境安全的影响严重程度，留有足够的安全裕度，必要时提高结构安全等级；

⑥钢构栈桥、平台结构设计以及地下水控制和稳定性验算应分别采用承载能力极限状态和正常使用极限状态。

步骤6，平台与栈桥结构力学分析

理论分析：钢构栈桥及平台主要通过纵向及横向水平杆受弯强度、挠度计 算、跨度取值、扣件抗滑承载力验算、立杆稳定性计算，研究其布置形式及构造措施。

实际施工中，不同的工程存在不同的地质条件，而同一工程中的不同位置，地质条件也并非完全相同。考虑到栈桥与平台结构方案采用细长钢管作为受力构件，钢管的长度不能过长，否则会导致失稳而致使结构破坏。规范规定针对钢管立柱计算承载能力应按概率极限状态设计法的要求，采用分项系数设计表达式进行设计，主要包括下列设计计算：

纵向、横向水平杆等受弯构件的强度计算；

立杆的稳定性计算；

立杆地基承载力计算。

立杆稳定性计算是钢管立柱计算的主要内容，在确保施工安全、保证立杆不失稳前提下，基于常见土层条件，可根据相关公式确定出立杆的临界几何长度。假设栈桥平台所承受的施工荷载的大小和位置一定，则其力学模型有限元分析所得的结构变形云图、应力云图以及杆件的轴力均未发生改变。由确定钢管最小入土深度计算公式可知，钢管尺寸、土体侧阻力确定时，如果杆件轴力不变，那么钢管的最小入土深度是固定不变的。由于钢管扣件的偏心距很小，钢管立柱又具有一定高度，其底部立杆接近轴心受力构件，计算立杆有效长度时将钢管立柱视为轴心受压构件。

数值模拟：借助有限元软件对钢构平台与栈桥主要水平杆受弯强度、挠度、扣件抗滑承载力验算、立杆稳定性进行计算，研究其布置形式和局部加强构造措施，若打桩机处某一立杆沉降过大而失效，可在立杆上部节点增加十字形横杆和斜撑进行加固。

步骤7，确定钢构栈桥与平台适用范围。钢构栈桥平台和平台结构普遍应用于水面上施工项目，确定所设计的栈桥和平台结构的适用范围，对于输电线路杆塔与基础施工和材料循环利用有着极其重要的意义。

(1)平台和栈桥竖杆的最小入土深度确定

1)依据轴力大小确定竖杆最小入土深度：根据理论计算与有限元分析模拟得出的平台与栈桥钢管的最大轴力，把支撑的钢管视为微型钢管桩，依据《 建筑桩基技术规范》计算最小入土深度。依据地质勘察报告，淤泥层的侧阻力不计，确定各层土体的侧阻力，考虑到微型桩端部支撑效用较小，忽略钢管的端承作用；

2)依据变形量确定竖杆最小入土深度：失效分析表明，一旦个别杆件失效造成的后果比较严重，一般杆件的失效有多种，其中一种为杆件体系沉降不均匀造成部分杆件失效。为了杜绝此类情况的出现，设定最大沉降量，相邻立杆的沉降差。给出设计的最大沉降差的结构分析结果，依据沉降控制得到平台和栈桥立杆的最小入土深度。

(2)钢管立柱的临界几何长度

实际施工中，不同的工程存在不同的地质条件，而同一工程中的不同位置，地质条件也并非完全相同。考虑到此栈桥平台结构方案采用细长钢管作为受力构件，钢管的长度不能过长，否则会导致失稳而致使结构破坏。根据上文论述立杆稳定性计算是钢管立柱计算的主要内容，在确保施工安全、保证立杆不失稳前提下，基于常见土层条件，可根据相关公式确定出立杆的临界几何长度。

假设栈桥平台所承受的施工荷载的大小和位置一定，则其力学模型有限元分析所得的结构变形云图、应力云图以及杆件的轴力均未发生改变。由确定钢管最小入土深度计算公式可知，钢管尺寸、土体侧阻力确定时，如果杆件轴力不变，那么钢管的最小入土深度是固定不变的。

由于钢管扣件的偏心距很小，钢管立柱又具有一定高度，其底部立杆接近轴心受力构件，计算立杆有效长度时将钢管立柱视为轴心受压构件。

1)按照弹性方法确定钢管立柱的临界几何长度(此临界几何长度范围内未考虑可能存在的斜撑和水平支撑)：理想轴心受压构件的整体稳定性(即发生弹性弯曲屈曲)确定。考虑到实际工程应用，平台和栈桥钢管立柱模型的边界支承条件模拟为下端固定，而上端介于固定(扣件均完整扣上)和铰接(部分扣件没有扣上)两种状态之间

2)按照弹塑性方法确定钢管立柱的临界几何长度(非理想轴心受压构件整体稳定性确定方法，实际结构往往是非弹性的，有一定的挠度，有一定的荷 载偏心。因此结构稳定承载能力的确定，应该考虑几何缺陷和力学缺陷对整体结构做弹塑性二阶分析。由于结构与脚手架结构还是存在本质区别的，首先，脚手架钢管立柱是立在底座或垫板上面的，属于悬臂端，而本工程的立杆是插入硬土中的，属于固接端；其次，脚手架的步距h是考虑工人实际操作距离并结合规范而事先取定的，而本工程并不存在对步距的要求。所以，在这部分计算时，仍然采用弹性方法的计算长度系数法来确定计算长度。在设计阶段考虑到钢管立柱未进入塑性阶段，因此这样取值也是合理的。

(3)各种水深情形下平台和栈桥结构适用范围

根据不同的土质和水深情况，通过力学分析，设计相应的平台与栈桥结构尺寸与布置型式，对结构进行修改和分析，研究各种土质情况和多种水深情况下，结构立杆需打入硬土的深度，确定典型地质条件下，不同水深平台和栈桥结构适用范围，以指导平台和栈桥结构设计及施工。

步骤8，规范栈桥与平台布置型式与构造要求，便于实际施工操作。

(1)栈桥

①依据水深和淤泥层厚度，根据荷载确定钢构栈桥钢管立杆长度和打入水下土层的最小深度(含淤泥层厚度)，两侧设安全护栏，见图1。

②栈桥立杆间距：据施工荷载定。

③横撑、斜撑设置：栈桥两侧每根纵向立杆设置插入塘底的斜撑，主梁钢管上铺设小横撑，栈桥立杆间间隔1设置一道剪刀撑，水面高度处设置纵横向扫地水平杆。

(2)施工平台

①依据水深和淤泥层厚度确定钢构栈桥钢管立杆长度，打入水下土层的最小深度(含淤泥层厚度)，临水侧均设安全护栏。

②立杆间距：计算确定，靠近桩孔位置处立杆应根据计算加密，最小间距0.3m，一般按0.5m进行加密，建议按线路走向和四塔腿对角走向的支撑脚手架钢管间隔加密，以满足钻机就位后平整、稳固。

③横撑、斜撑设置：立杆与主梁钢管连接，每隔一排钢管柱设置一排支撑 ，水面高度处设置一道扫地杆。平台根据基础根开及基础立柱大小预留4个桩孔位置用于埋设护筒。

(3)铺设脚手板

①栈桥及操作平台搭设好后，在表面铺设竹板作为脚手板铺垫在钢管脚手架上，脚手板下横向每隔150～300mm设一道水平钢管。

②脚手板对接平铺时，两相邻脚手板应对接因严密，用铁丝牢固绑扎在主梁钢管上，接头处必须设不少于两道横向水平钢管。脚手板外伸不大于150mm，见图2-3。

③脚手板搭接铺设时，接头必须支在横向水平钢管上，搭接长度应大于300mm，其伸出横向水平钢管的长度应不小于150mm。

(4)扣件安装应符合下列规定：

①扣件规格应与钢管外径相同；

②螺栓拧紧扭力矩不应小于40N·m，且不应大于65N·m；

③在主节点处固定横向水平杆、纵向水平杆、剪刀撑、横向斜撑等用的直角扣件、旋转扣件的中心点的相互距离不应大于150mm；

④对接扣件开口应朝上或朝内；

⑤各杆件端头伸出扣件盖板边缘的长度不应小于100mm。

(5)平台、栈桥的栏杆和挡脚板的搭设应符合下列规定：

①栏杆和挡脚板均应搭设在立杆的内侧；

②上栏杆上皮高度应为1.2m；

③挡脚板高度不应小于180mm；

④平台和栈桥脚手板应铺满、铺稳。当采用对接或搭接时均应符合下述规定：

i)操作平台采用50mm厚的木板作为脚手板铺垫在钢管脚手架上，木板下横向每隔300mm设一道水平钢管。

ii)脚手板对接平铺时，接头处必须设两道横向水平钢管，脚手板外伸不大于150mm；

iii)脚手板搭接铺设时，接头必须支在横向水平钢管上，搭接长度应大于200mm，其伸出横向水平钢管的长度应不小于100mm。

Ⅳ)脚手板探头应用直径3.2mm的镀锌钢丝固定在支承杆件上；在拐角、斜道平台口处的脚手板，应用镀锌钢丝固定在横向水平杆上，防止滑动。

根据上述步骤，确定了钢栈桥与平台结构型式及搭设范围，即可通过纵向及横向水平杆受弯强度、挠度计算、跨度取值、扣件抗滑承载力验算、立杆稳定性计算，研究其具体布置形式及构造要求，再根据岩土地质和水文勘测资料，水中塔位施工平台使用要求和施工载荷，考虑各种危险的施工工况，对平台与栈桥结构进行了多次设计、调整、比较和相应多次的结构力学分析，最终确定平台结构和栈桥设计与施工方案。

现针对实际工程塔位地质和场地情况进行说明，见表1。

表1示例塔位地质主要参数

按照步骤1，执行建筑施工扣件式钢管脚手架规范，确定钢管与扣件材料，便于租赁使用。

按照步骤2、3，考虑运输通行、施工作业所需空间。

执行步骤4流程，施工操作平台主要作用在于施工和行车，其主要荷载为 ：钻机(含发动机、变速箱及卷扬机、钻机转盘、钻机底座和钻机横梁等)总质量约为20kN，按动力系数1.3设计。考虑岸上搅拌混凝土，由岸边向塔位运输混凝土进行浇筑，2辆推车装满混凝土加2辆空车质量按11kN考虑；混凝土下料导管质量2kN、钢筋笼2副共7.5kN、地笼4副共1kN，施工人员6人共4.8kN。即：

钻机荷载：20kN×1.3＝26kN

推车荷载：11kN

其他荷载：2+7.5+1+4.8＝15.3kN。

栈桥是为运输材料、设备、人员而修建的临时设施，其最大的特点就是为施工带来方便的同时也起着很重要的承载作用。

栈桥上部的主要是施工移动荷载为：1辆现场手推车(车尺1500×520×480)，按满载3.5kN，考虑2辆一前一后同时运输，1车按两人操作，人重2×0.8＝1.6kN；同时2辆空车还回(一人操作)，人重合重2×(0.8+0.3)＝2.2kN。合计：3.5×2+2×0.8×2+2×(0.8+0.3)＝12.4kN。按动力系数1.1考虑，栈桥总共受到12.4×1.1＝13.64kN。设计时按15kN考虑。

明确计算假定与计算原则。钢横梁与钢管柱之间全部设为铰接，钢管柱底部固定；并忽略平台、栈桥护栏构件影响。

通过明确杆塔与基础施工操作平台使用要求和施工载荷，考虑各种危险的施工工况，通过对示例杆塔基础施工的操作平台结构和栈桥结构进行了多次设计、调整、比较，确定了平台与栈桥结构设计方案，平台的平面尺寸为15m×11m，栈桥的平面尺寸为16m×2.5m。

平台与栈桥结构力学模型。考虑到平台上方铺设有木板，荷载通过木板传递到横杆及钢管柱上，分析时，将荷载等效成线荷载施加到模型上。

计算结果表明，平台结构的最大变形量与最大应力值分别为1mm和81.2MPa，均出现在荷载施加区域的横梁上。钢管柱相比，变形与应力值均较小，处于安全范围内。平台最大轴力值为5.3kN，出现在钢管柱上。施加荷载区域周边柱轴力为3.2kN，平台所有钢管柱轴力值均较小，应力水平也较低。

考虑特殊情况，平台打桩机部位受力区内某根钢管柱失效(如沉降量太大)，丧失承载能力。此时，平台结构使用情况较恶劣，该工况下平台结构受力 区某根钢管柱失效会导致应力急剧增大，变形量为4.6mm，该钢管柱周围横杆会出现明显的应力集中，最大值达到171MPa，未过Q235钢材的标准值205MPa(参考《JGJ130-2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》)，结构强度满足要求。

某根柱失效时，其周围钢管立柱也可能因不均匀沉降导致其承载力下降。针对这种情况，分析时，柱1失效，形成局部塌陷。此时柱2-5有可能正常承载，也有可能因沉降差太大失去部分承载能力。分析时，考虑柱2-5从正常承载状态到半失效状态。

假设正常承载时柱1～5竖向支反力分别为F1～F5。柱1完全失效，底部不施加任何约束与荷载。约束柱2-5水平位移，施加竖向支反力。支反力大小从F逐渐变为F/2。分析结果见表2。

表2钢管立柱局部塌陷情况(6)结构应力和沉降量计算结果

平台结构局部塌陷导致相邻钢管立柱的沉降存在较大差异。计算结果表明，当沉降量差在17mm左右时，结果应力与变形在容许范围之内，但不宜继续增大。为保证平台在工作期间钢管柱正常使用，如果发现打桩机附近因某一立杆沉降过大导致失效，可以在该立杆上部节点增加十字形横杆和斜撑连接进行加固。考虑到表2的计算结果，平台结构实际设计图中，在洞口和打桩机脚附件已经加密横杆，其间隔为350×350(mm)。因此，平台实际结构的最大应力值比 表2中第3行应力值减小了。

栈桥结构分析时类似施工操作平台，设计时主要考虑竖向荷载。栈桥的最大变形量为2.4mm，出现在栈桥桥面的横连杆上，最大应力值为132MPa，出现在横连杆与柱的连接处。栈桥的最大轴力值为5.6kN。栈桥在该受力情况下处于安全状态。

针对平台与栈桥结构轴力，进行稳定性验算。按压弯考虑进行验算验算表明，杆件的稳定性满足要求。

依据轴力大小确定竖杆最小入土深度，经过有限元计算得到平台区域钢管的最大轴力为5.3kN，栈桥区域的最大轴力为5.6kN。把本工程支撑的钢管视为微型钢管桩，依据《建筑桩基规范-2008》进行最小入土深度计算。依据地质勘察报告，淤泥层的侧阻力不计，第一层土体的侧阻力为qs1＝53kPa，第二层土体的侧阻力qs2＝85kPa。

考虑到微型桩端部支撑效用较小，忽略钢管的端承作用。则最小入土深度计算公式为：

经计算，对于平台区域，最小入土深度(不含淤泥层厚度)为0.66m；对于栈桥区域，最小入土深度(不含淤泥层厚度)为0.70m。

依据变形量确定竖杆最小入土深度

通过失效分析可知，一旦个别杆件失效造成的后果比较严重，一般杆件的失效有多种，其中一种为杆件体系沉降不均匀造成部分杆件失效。为了杜绝此类情况的出现，设定最大沉降量为15mm，相邻立杆的沉降差不超过5mm。给出设计的最大沉降差的结构分析结果。

沉降量计算模型，采用等效分层总和法，其理论计算公式相关参数的意义可参见《建筑桩基规范-2008》第5.5.6和5.5.7条。

需要指出的是：由于勘查报告未提供变形模量E，本节计算采用经验取值。

结合实际平台和栈桥的布置，可将钢管布置分为4类：

第一类：0.7m×0.7m间距布置钢管，荷载为5.3kN/根；

第二类：0.7m×1.0m间距布置钢管，荷载为3.2kN/根；

第三类：1.0m×1.0m间距布置钢管，荷载为3.2kN/根；

第四类：1.0m×1.5m间距布置钢管，荷载为5.6kN/根；

经计算，计算结果列于表3中。

表3不同入土深度对应的沉降量/mm

入土深度(不含淤泥层)	第一类	第二类	第三类	第四类
					0.6m	19.3	8.5	6.2	6.9
0.8m	15.0	6.3	4.7	4.6
					1.0m	5.7	3.0	2.3	1.9

由表3的计算结果可以看出，依据沉降控制得到平台和栈桥立杆的最小入土深度(不含淤泥层厚度)为1.0m。

按照弹性方法确定钢管立柱的临界几何长度。实际构件中常有各种影响承载力的缺陷，而且钢管立柱的承载能力对钻孔工作平台使用的稳定性和安全性起者决定性的作用，结合查阅的相关资料，计算时钢管立柱安全系数取为K＝2。因其实际工况的复杂性，安全系数的取值不应低于一定水平，本实例安全系数取值2是经济安全的。

则： $l=-\sqrt{\frac{{\mathrm{\π}}^{2}EI}{N_{cr}{\mathrm{\μ}}^2}}=\sqrt{\frac{{3.14}^2\×2.1\×{10}^8\×12\×{10}^{-8}}{2\×6\×{0.7}^2}}=6.5m$

所以，立杆的临界几何长度l＝6.5m。

按照弹塑性方法确定钢管立柱的临界几何长度。立杆的极限承载力值通过结构实验或结构计算分析确定，可以表达为：·A·f_y，其中：fy—钢材的屈服强度。根据建筑施工脚手架结构安全度的要求，脚手架立杆的设计承载力＝脚手架立杆的极限承载力/K，式中：K—安全系数，根据工作条件取2.0～3.0，本工程选取安全系数K＝2进行计算。

综合以上表达式可以得出， $N\≤\frac{7320i^2{\mathrm{Af}}_y}{{\mathrm{Kl}}_0^2},$

如果立杆采用Q235钢管：

则： $N=\frac{7320i^2{\mathrm{Af}}_y}{{\mathrm{Kl}}_0^2}=\frac{7320\×12\×{10}^{-8}\×225\×{10}^3}{2l_0^2}=6$

计算得到：l₀＝4.06m，所以，立杆的临界几何长度l＝5.8m。

如果立杆采用Q345钢管，

则： $N=\frac{7320i^2{\mathrm{Af}}_y}{{\mathrm{Kl}}_0^2}=\frac{7320\×12\×{10}^{-8}\×325\×{10}^3}{2l_0^2}=6$

计算得到：l₀＝4.88m，所以，立杆的临界几何长度l＝6.97m。

由于本工程与已建的水上施工平台采用的材料和结构不同，所以并没有具体的规范和实例可以借鉴，因此，为了保证施工的安全，考虑取用两种算法的较小值，即：

如果立杆采用Q235钢管：l＝5.8m；

如果立杆采用Q345钢管：l＝6.5m。

钢管立柱临界几何长度计算与立柱所承受的最大轴力有很大的关联。施工操作平台中打桩机三个支撑脚处承受的动荷载影响立杆承受最大轴力，为保证打桩机支撑脚处立杆的稳定性以及安全性，在每个打桩机支撑脚处增设四根斜横杆进行加固措施。经过对加固结构进行有限元分析，立杆最大轴力较未加固结构的立杆最大轴力有明显的降低趋势。说明该加固结构的承载力增大。

平台和栈桥结构适用性研究结论：

(1)

针对示例平台结构和栈桥结构的适用性研究，采用了两种计算方法，分别为弹性计算方法和弹塑性计算方法。结合工程实际，建议取用两种方法计算结果的平均值。如果立杆采用Q235钢管，则立杆的临界失稳长度为6.15m；如果立杆采用Q345钢管，则立杆的临界失稳长度为6.73m；且立杆临界长度指的是立杆在此长度上无水平支撑的情况。在本工程中，立杆临界长度指从硬土层下0.5m处到水面处水平支撑的距离。

(2)

在弹性方法和弹塑性方法的计算过程中，均存在安全系数K。本工程取安全系数K＝2进行计算。此安全系数的选取需要考虑工程的安全等级以及现场的施工条件等客观因素，不是一成不变的。

(3)弹塑性计算方法是参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范(JGJ130-2011)》以及《钢结构设计规范(GB50017-2003)》进行计算的，但由于本结构并不完全属于地面上脚手架的范围，所以对计算方法进行了一些合理调整。且由于本工程的结构高度比较小，所以计算时并未考虑风荷载。

(4)

为保障平台结构工作时的整体稳定性，需在平台结构四周外侧布置一些斜向撑杆，平台结构在打桩机的机脚处下面立杆附近布置若干斜支撑(进入硬土层内)。

(5)

平台和栈桥上面除了必要的施工荷载，不要堆积其他原材料等荷载，若有其他荷载，需按步骤计算。

(6)

原平台结构和栈桥结构的场地条件是：水深1.5m，淤泥0.5m，该结构的入硬土深度为1.0m。虽然钢管尺寸、土体侧阻力固定，由计算公式确定钢管最小入土深度时，如果杆件轴力不变，那么钢管的最小入土深度固定不变。但水深增加，对结构不利。建议在采用该结构形式时，竖杆入硬土深度可适当加大，保证钢管立柱的稳定性。

(7)理论计算结果可以得知：从硬土层下0.5m处到水面处水平支撑(扣件连接处)的距离不得超过立杆临界长度l，即：0.5m+淤泥0.5m+水深≤l。因此，该栈桥结构和平台结构的使用条件为：

如果立杆采用Q235钢管，则最大水深不得超过4.8m；或者水深+淤泥厚度不得超过5.3m。

如果立杆采用Q345钢管，则最大水深不得超过5.5m；或者水深+淤泥厚度不得超过6.0m。

(8)施工时尽可能降低对土体的扰动。

(9)加强施工全程监测，确保工程安全。

(10)

施工操作平台承受钻机动荷载，需在平台孔洞四周布置加密横杆。将孔洞边缘向外2.0m范围视为加密区，加密区的大小可根据孔洞大小适当加大。加密区横杆间距在0.5m左右。

(11)

施工操作平台中打桩机三个支撑脚处附近竖杆承受动荷载较大，需在打桩机每个支撑脚最近的一根竖杆周围增设四根斜撑杆，以此对结构进行加固。加固后的平台结构承载力得到提高。

(12)

当水深+淤泥厚度合计小于4m时，平台内部斜支撑可不设置，仅在平台四周设置斜支撑；水面处水平横杆在横、纵两个方向可间隔一排布置，但需保证在水面处每根立杆至少有一个扣件与横杆相连。当水深+淤泥厚度合计大于4m时，平台水面处水平横杆应每排横、纵两个方向均布置，且需在水面上和平台上与立杆用扣件扣紧；斜支撑应在(打桩机脚处)加密区与平台四周设置。

各种水深情形下平台和栈桥结构适用范围

根据不同的土质和水深情形，通过力学分析，设计相应的平台与栈桥结构，平台与栈桥结构使用常规的脚手架钢管φ48.6mm×3.6mm构成。

综合考虑栈桥、平台结构分析的研究成果，三种结构设计方案相应水深+淤泥厚度的适用范围见表4。表4中立杆入土深度按示例塔位土质情况(见表1)计算得来。

平台和栈桥结构主要是依靠钢管立杆与土的摩擦力承重，所以影响平台和栈桥结构入土深度计算结果的主要因素是土体的侧摩阻力qs，针对不同土体的qs值，平台和栈桥结构入土深度计算结果也是不同的。使用此平台和栈桥结构时可根据不同qs查表5获取相应的立杆入土深度。

表4无土围堰与平台结构各设计方案的适用范围

表5常见土质下平台和栈桥结构立杆入土深度(单位：m)

注：①当qs非表列值时，入土深度可内插取值。

②表中所列数值为平台和栈桥结构立杆的最大轴力为5.6kN时的计算结果，若轴力不是5.6kN，可按照轴力大小的比例关系计算获得。

Claims (1)

1.一种浅水区杆塔基础施工用钢构平台与栈桥结构设计方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤1，执行现行《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》和《钢管脚手架扣件》规定，确定钢构栈桥与平台结构所用材料；

步骤2，根据材料运输通道需要，考虑现场流水作业人力车尺寸和施工人员交叉通行，确定栈桥宽度，栈桥长度由具体塔位离岸边距离，综合交通运输条件，施工难度确定；

步骤3，钢构平台外围尺寸则根据杆塔基础根开、钻机尺寸、杆塔单件最大长度、桩桩径、以及护筒放置空间等综合确定，以满足基础施工、杆塔组立及放线阶段施工作业需要；

步骤4，确定栈桥与平台设计荷载，针对钢管脚手架平台和栈桥，根据具体施工方案，关注钻机发动机、变速箱及卷扬机、钻机转盘、钻机底座和钻机横梁、小型混凝土搅拌机、下料导管、钢筋笼、地笼、施工作业人员及混凝土运输推车的施工荷载，形成荷载标准值，同时结构受力分析，应根据使用过程中可能出现的荷载，考虑必要的动力系数，取其最不利组合进行计算，给出结构构件以及地基承载力荷载效应组合；

步骤5，①明确结构计算假定，规定结构设计使用期限，②所有钢管杆互相连结点按铰接，立杆支点在塘底下≮0.3m土壤内，按固定考虑，③斜撑杆内力按结构形式乘以形状系数；水压力按静水力压力计算，不考虑风浪和水的流动，④忽略钢管杆、扣件、竹胶板自重；荷载系数按规范取值；水平杆考虑承受不小于1.0kN/m2的施工维护荷载，⑤水中立塔支撑与围挡结构设计时，综合考虑塔位基坑周围环境和地质条件的复杂程度、开挖基坑深度、钻孔桩径与桩长等因素，考虑结构坍塌对施工人员、杆塔与基础施工和基坑周边环境安全的影响严重程度，留有足够的安全裕度，必要时提高结构安全等级，⑥钢构栈桥、平台结构设计以及地下水控制和稳定性验算应分别采用承载能力极限状态和正常使用极限状态；

步骤6，平台与栈桥结构力学分析

理论分析：钢构栈桥及平台主要通过纵向及横向水平杆受弯强度、挠度计算、跨度取值、扣件抗滑承载力验算、立杆稳定性计算，研究其布置形式及构造措施，规范规定针对钢管立柱计算承载能力应按概率极限状态设计法的要求，采用分项系数设计表达式进行设计，主要包括下列设计计算：

纵向、横向水平杆等受弯构件的强度计算；

立杆的稳定性计算；

立杆地基承载力计算；

立杆稳定性计算是钢管立柱计算的主要内容，在确保施工安全、保证立杆不失稳前提下，基于常见土层条件，可根据相关公式确定出立杆的临界几何长度；

数值模拟：借助有限元软件对钢构平台与栈桥主要水平杆受弯强度、挠度、扣件抗滑承载力验算、立杆稳定性进行计算，研究其布置形式和局部加强构造措施；

步骤7，确定钢构栈桥与平台适用范围，钢构栈桥平台和平台结构普遍应用于水面上施工项目，确定所设计的栈桥和平台结构的适用范围：

(1)平台和栈桥竖杆的最小入土深度确定：

1)依据轴力大小确定竖杆最小入土深度：根据理论计算与有限元分析模拟得出的平台与栈桥钢管的最大轴力，把支撑的钢管视为微型钢管桩，依据《建筑桩基技术规范》计算最小入土深度；

2)依据变形量确定竖杆最小入土深度：失效分析表明，一旦个别杆件失效造成的后果比较严重，一般杆件的失效有多种，其中一种为杆件体系沉降不均匀造成部分杆件失效；

(2)钢管立柱的临界几何长度：

根据立杆稳定性计算是钢管立柱计算的主要内容，在确保施工安全、保证立杆不失稳前提下，基于常见土层条件，可根据相关公式确定出立杆的临界几何长度：

(3)各种水深情形下平台和栈桥结构适用范围：

根据不同的土质和水深情况，通过力学分析，设计相应的平台与栈桥结构尺寸与布置型式，对结构进行修改和分析，研究各种土质情况和多种水深情况下，结构立杆需打入硬土的深度，确定典型地质条件下，不同水深平台和栈桥结构适用范围，以指导平台和栈桥结构设计及施工；

步骤8，规范栈桥与平台布置型式与构造要求，便于实际施工操作：

(1)栈桥：

①依据水深和淤泥层厚度，根据荷载确定钢构栈桥钢管立杆长度和打入水下土层的最小深度(含淤泥层厚度)，两侧设安全护栏；

②栈桥立杆间距：据施工荷载定；

③横撑、斜撑设置：栈桥两侧每根纵向立杆设置插入塘底的斜撑，主梁钢管上铺设小横撑，栈桥立杆间间隔1设置一道剪刀撑，水面高度处设置纵横向扫地水平杆；

(2)施工平台：

①依据水深和淤泥层厚度确定钢构栈桥钢管立杆长度，打入水下土层的最小深度，临水侧均设安全护栏；

②立杆间距：计算确定，靠近桩孔位置处立杆应根据计算加密，最小间距0.3m，一般按0.5m进行加密，建议按线路走向和四塔腿对角走向的支撑脚手架钢管间隔加密，以满足钻机就位后平整、稳固；

③横撑、斜撑设置：立杆与主梁钢管连接，每隔一排钢管柱设置一排支撑，水面高度处设置一道扫地杆，平台根据基础根开及基础立柱大小预留4个桩孔位置用于埋设护筒；

(3)铺设脚手板：

①栈桥及操作平台搭设好后，在表面铺设竹板作为脚手板铺垫在钢管脚手架上，脚手板下横向每隔150～300mm设一道水平钢管；

②脚手板对接平铺时，两相邻脚手板应对接因严密，用铁丝牢固绑扎在主梁钢管上，接头处必须设不少于两道横向水平钢管，脚手板外伸不大于150mm；

③脚手板搭接铺设时，接头必须支在横向水平钢管上，搭接长度应大于300mm，其伸出横向水平钢管的长度应不小于150mm；

(4)扣件安装应符合下列规定：

①扣件规格应与钢管外径相同；

②螺栓拧紧扭力矩不应小于40N·m，且不应大于65N·m；

③在主节点处固定横向水平杆、纵向水平杆、剪刀撑、横向斜撑等用的直角扣件、旋转扣件的中心点的相互距离不应大于150mm；

④对接扣件开口应朝上或朝内；

⑤各杆件端头伸出扣件盖板边缘的长度不应小于100mm；

(5)平台、栈桥的栏杆和挡脚板的搭设应符合下列规定：

①栏杆和挡脚板均应搭设在立杆的内侧；

②上栏杆上皮高度应为1.2m；

③挡脚板高度不应小于180mm；

④平台和栈桥脚手板应铺满、铺稳，当采用对接或搭接时均应符合下述规定：

i)操作平台采用50mm厚的木板作为脚手板铺垫在钢管脚手架上，木板下横向每隔300mm设一道水平钢管；

ii)脚手板对接平铺时，接头处必须设两道横向水平钢管，脚手板外伸不大于150mm；

iii)脚手板搭接铺设时，接头必须支在横向水平钢管上，搭接长度应大于200mm，其伸出横向水平钢管的长度应不小于100mm；

Ⅳ)脚手板探头应用直径3.2mm的镀锌钢丝固定在支承杆件上；在拐角、斜道平台口处的脚手板，应用镀锌钢丝固定在横向水平杆上，防止滑动。