尼日利亚拉各斯轻轨跨海桥栈桥设计及受力分析
2022-11-21周敬库中国铁建大桥工程局集团有限公司天津300450
周敬库 (中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300450)
0 引言
近年来，随着桥梁技术的大力发展及交通运输行业的不断发展，桥梁工程成为铁路、公路等基础建设的重要一环，技术复杂的大型水上桥梁建设也越来越多，其中钢栈桥作为桥梁临时工程，作用不可忽视。栈桥指的是能够方便在施工过程中建筑材料的运输、来往车辆的通行等而修建的临时性跨水结构桥梁。
1 概述
1.1 上部结构
栈桥跨径12m，为6～8孔一联连续梁。栈桥总截面布置如图1所示。桥面净宽为8m，按1.0m人行道+2×3.0m双向行车道+1.0m人行道设计。用贝雷梁拼装栈桥主梁，在桥梁横向布置了12座钢桥面栈桥，具体如图1。贝雷梁销轴钢材是30CrMnSi，贝雷梁钢是16Mn。在主梁的中间设置横向支撑架和下平联支撑架，布置图如图2。桥面板为正交异性钢桥面板。桥面面板为10mm扁豆形花纹钢板，桥面分配梁为I12.6及I10型钢，桥面板尺寸为2.0m×8.0m。主梁梁底高程高于10年一遇的最高水位高程。栈桥设计车速20km/h。
图1 钢桥面板双线栈桥横断面布置图
图2 支撑架布置图
1.2 下部构造
墩顶分配梁采用2I32c制作非制动墩墩顶的一层分配梁，制动墩墩顶分配梁为上层分配梁和下层分配梁两层，用2I32c制作上层分配梁，用2HN450×150型钢制作下层分配梁。桩基础为非制动墩采用单排桩，每排3根，横桥向间距为2.8m。制动墩采用双排桩，每排3根，纵桥向间距为2.0m，横桥向间距为3.0m。
2 荷载参数
2.1 基本可变荷载
100t履带吊机，其自重为114t，接触面积是2×（6850×950mm2）。100t履带吊机需要在栈桥上起吊20t，在栈桥每联内仅允许布置一辆。
2.2 其他可变作用
①栏杆荷载：根据人行道栏杆进行设计，作用于栏杆扶手上的竖向力标准值为1.0kN/m，作用于栏杆立柱顶上的水平推力标准值为0.75kN/m；
②行人荷载：2.5kN/m；管道荷载：2.0kN/m；
③风载：栈桥施工状态、工作状态和非工作状态的允许风力分别是6级、8级和10级，相应的风速分别是13.8m/s、20.7m/s、28.4m/s。
风载按《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）进行计算，Fwh=K0K1K3WdAwh
其中：K0=0.75（按施工架设期间取值）；
K1=ηK1=0.45× 1.2=0.54（桁架风载系数）；
K3=1.4（按最不利地形地理条件选取）；
K2=1.08（按A类地表，离地面或水面5m高度计）；
K5=1.38（按A类取阵风风速系数）；
6级风载：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×13.8m/s=20.6m/s
求得:
单片贝雷片及桥面板迎风面积：Awh=0.4A=0.4×1.7×3.0=2.04m2；
风载为：Fwh=K0K1K3WdAwh=0.75×0.54×1.4×0.26×2.04=0.3(kN)
8级风载时：r=0.012017e-0.0001Z=0.012017e-0.0005=0.1201
Vd=K2K5V0=1.08×1.38×20.7m/s=30.9m/s
求得:
单片贝雷片及桥面板迎风面积：Awh=0.4A=0.4×1.7×3.0=2.04m2；
风载为：Fwh=K0K1K3WdAwh=0.75×0.54×1.4×0.585×2.04=0.68(kN)
④水流力：根据尼日利亚拉各斯情况，假定其流速是3.0m/s，在下部结构计算中进行阐述。
3 荷载组合
3.1 栈桥荷载组合
栈桥结构设计分为工作状态和非工作状态，根据不同的工作状态将计算分为三种工况，如表1所示。
栈桥各状态下的计算工况 表1
用工况Ⅰ至工况Ⅱ对栈桥上部结构的内力及下部钢管桩的竖向荷载进行计算，用工况Ⅲ下部钢管桩的横向荷载进行计算。
工况Ⅰ：履带吊机运行至各联边跨时，其受力大于履带吊机运行至各联中跨时的应力，计算仅显示履带吊机在主梁边跨上运行时的结构受力。
工况Ⅱ：履带吊机只能在墩顶起吊。
工况Ⅲ：栈桥主要承受栈桥结构自重、风力及水流力，水流力作用于栈桥基础上。在工况Ⅲ下，栈桥的上部结构受力小，在工况Ⅲ下进行计算桩基础时进行分析。
以下仅对工况Ⅰ～工况Ⅱ进行分析。
4 结构计算
4.1 主梁计算
采用Midas/Civil 2006软件，建立4×12m+4×12m共两联的空间计算模型，在建立有限元模型时，因为建立有限元单元的数量巨大，为了加快建立模型和分析计算，所以未按6～8孔一联进行建模，但对计算结果几无影响，特此说明。在进行风荷载加载时，采用8级风载加载，相当于集中荷载加在每片贝雷片桁架节点上。波浪力和水流力共同作用在钢管桩上，相当是上部贝雷片桁架横向整体移动，对其应力影响不大，所以在结构分析中不用考虑波浪力和水流力对栈桥的影响。计算模型如图3所示。
图3 栈桥计算模型
4.1.1 工况I
工况I组合为结构自重+人行荷载+管道荷载+100t履带吊机自重+风载。
100t履带吊机栈桥每联仅布置一辆，按最不利受力情况布置于每联第一跨跨中，其加载图如图4所示，此时求弦杆最大内力。100t履带吊机布置于制动墩墩顶或非制动墩墩顶时，求竖杆和斜杆的最大内力，其加载图如图5～图6所示。经过对上述100t履带吊机的各种受力情况进行建模分析，其贝雷片各杆件的受力图如图7～图9所示。
图4 100t履带吊机跨中走行时加载图
图5 100t履带吊机走行至非制动墩时加载图
图6 100t履带吊机走行至制动墩时加载图
图7 工况I时弦杆受力最大值
图8 工况I时竖杆受力最大值
图9 工况I时斜杆受力最大值
通过计算整理，工况Ⅱ荷载组合下贝雷片受力如表2。
工况I贝雷片受力表 表2
在工况I下，贝雷片满足受力要求。制动墩墩顶最大反力值为25.9t，非制动墩墩顶最大反力值为48.3t。
4.1.2 工况Ⅱ
工况Ⅱ组合为结构自重+人行荷载+管道荷载+100t履带吊起吊20t+风载。
100t履带吊机只能在制动墩墩顶或非制动墩墩顶起吊，求贝雷梁的最大内力，其加载图如图10～图11所示。经过对上述100t履带吊机的各种受力情况进行建模分析，其贝雷片各杆件的受力图如图12～图14所示。
图10 100t履带吊机非制动墩顶起吊20t
图11 100t履带吊机制动墩顶起吊20t
图12 工况Ⅱ时弦杆受力最大值
图13 工况Ⅱ时竖杆受力最大值
图14 工况Ⅱ时斜杆受力最大值
通过计算整理，工况Ⅱ荷载组合下贝雷片受力如表3。
工况Ⅱ贝雷片受力表 表3
在工况Ⅱ下，贝雷片满足受力要求。制动墩墩顶最大反力值为28.2t，非制动墩墩顶最大反力值为48.1t。
4.2 桩基础计算
4.2.1 受力计算
通过上述计算得知，非制动墩桩基竖向最大轴力为48.3t，制动墩桩基最大竖向轴力28.2t。
按压弯构件来计算单根桩的稳定性，采用φ800×8mm钢管的钢管桩。
轴力N＝483kN，计算长度取Ic=18+3+2T，其中18m为考虑水深，3m为淤泥覆盖层，0.8m为桩径，根据此处地质情况，钢管桩作为弹性桩进行计算，桩底最小锚固深度为，最小锚固深度为4T=5.8m,假象嵌固点为2T=2.9m,故钢管计算长度为Ic=18+3+2T=23.9m，其长细比λ=23.9 0.28=85。
通过计算可知，其最大稳定应力为80.8MPa小于容许应力[σ]=170MPa。
4.2.2 钢管桩承载力计算
①基桩设计参数
成桩工艺为钢管桩，承载力设计参数取值根据建筑桩基规范查表，孔口标高0.00m，桩顶标高0.00m，桩身设计直径d=0.80m，桩身长度l为15.00m，桩尖端部构造形式为敞口。
②岩土设计参数及计算参数如表4和表5。
岩土计算参数表 表5
③桩身周长u、桩端面积Ap计算
④单桩竖向抗压承载力估算
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）表5.2.10查表，侧阻挤土效应系数λs=0.87；
桩端进入持力层深度hb=1.00m，hbds<5，根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）公式5.2.10-2，计算桩端闭塞效用系数λp:
根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）5.2.10按下式估算单桩承载力：Quk=Qsk+Qpk
土的总极限侧阻力标准值为：
总极限端阻力标准值为：
单桩竖向抗压极限承载力标准值为：
单桩竖向承载力特征值Ra计算，根据基础规范附录Q条文Q.0.10第7条规定：Ra=Quk2=1260 2=630kN
钢管的插打深度为15m，满足承载力为483kN的要求。
5 结论
针对尼日利亚拉各斯地区风大、强风多的特点，对尼日利亚拉各斯轻轨跨海桥栈桥方案进行了设计和计算，确定了栈桥的详细构造，采用Midas软件对栈桥建立了整体的有限元仿真模型。模型准确处理了主梁与横梁、主梁与分配梁的接触，并按照不同工况进行加载计算。
综上所述，各种工况4×12m跨栈桥竖向弹性变形与非弹性变形之和最大值为12.9mm，栈桥的变形都小于L/400，符合要求。
通过比较上述各种工况下贝雷片的受力情况，可以得知100t履带吊机荷载组合为主梁控制荷载。对于4×12m栈桥，100t履带吊运行至每跨的跨中时，弦杆受力最大，最大值为192.1kN；100t履带吊机在非制动墩墩顶起吊20t时，贝雷片竖杆受力最大，最大值为124.5kN；100t履带吊机在非制动墩墩顶起吊20t时，斜杆受力最大，最大值为85.4kN。在工况I、Ⅱ下，制动墩单桩最大轴力为28.2t，非制动墩单桩最大轴力为48.3t。通过计算可知，钢管桩的最大稳定应力为80.8MPa，小于容许应力[σ]=170MPa。钢管的插打深度为15m，满足承载力为483kN的要求。
