尼日利亞拉各斯輕軌跨海橋棧橋設(shè)計(jì)及受力分析

周敬庫(kù) (中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300450)

0 引言

近年來(lái)，隨著橋梁技術(shù)的大力發(fā)展及交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，橋梁工程成為鐵路、公路等基礎(chǔ)建設(shè)的重要一環(huán)，技術(shù)復(fù)雜的大型水上橋梁建設(shè)也越來(lái)越多，其中鋼棧橋作為橋梁臨時(shí)工程，作用不可忽視。棧橋指的是能夠方便在施工過(guò)程中建筑材料的運(yùn)輸、來(lái)往車輛的通行等而修建的臨時(shí)性跨水結(jié)構(gòu)橋梁。

1 概述

1.1 上部結(jié)構(gòu)

棧橋跨徑12m，為6～8孔一聯(lián)連續(xù)梁。棧橋總截面布置如圖1所示。橋面凈寬為8m，按1.0m人行道+2×3.0m雙向行車道+1.0m人行道設(shè)計(jì)。用貝雷梁拼裝棧橋主梁，在橋梁橫向布置了12座鋼橋面棧橋，具體如圖1。貝雷梁銷軸鋼材是30CrMnSi，貝雷梁鋼是16Mn。在主梁的中間設(shè)置橫向支撐架和下平聯(lián)支撐架，布置圖如圖2。橋面板為正交異性鋼橋面板。橋面面板為10mm扁豆形花紋鋼板，橋面分配梁為I12.6及I10型鋼，橋面板尺寸為2.0m×8.0m。主梁梁底高程高于10年一遇的最高水位高程。棧橋設(shè)計(jì)車速20km/h。

圖1 鋼橋面板雙線棧橋橫斷面布置圖

圖2 支撐架布置圖

1.2 下部構(gòu)造

墩頂分配梁采用2I32c制作非制動(dòng)墩墩頂?shù)囊粚臃峙淞海苿?dòng)墩墩頂分配梁為上層分配梁和下層分配梁兩層，用2I32c制作上層分配梁，用2HN450×150型鋼制作下層分配梁。樁基礎(chǔ)為非制動(dòng)墩采用單排樁，每排3根，橫橋向間距為2.8m。制動(dòng)墩采用雙排樁，每排3根，縱橋向間距為2.0m，橫橋向間距為3.0m。

2 荷載參數(shù)

2.1 基本可變荷載

100t履帶吊機(jī)，其自重為114t，接觸面積是2×（6850×950mm2）。100t履帶吊機(jī)需要在棧橋上起吊20t，在棧橋每聯(lián)內(nèi)僅允許布置一輛。

2.2 其他可變作用

①欄桿荷載：根據(jù)人行道欄桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，作用于欄桿扶手上的豎向力標(biāo)準(zhǔn)值為1.0kN/m，作用于欄桿立柱頂上的水平推力標(biāo)準(zhǔn)值為0.75kN/m；

②行人荷載：2.5kN/m；管道荷載：2.0kN/m；

③風(fēng)載：棧橋施工狀態(tài)、工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)的允許風(fēng)力分別是6級(jí)、8級(jí)和10級(jí)，相應(yīng)的風(fēng)速分別是13.8m/s、20.7m/s、28.4m/s。

風(fēng)載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2015）進(jìn)行計(jì)算，F(xiàn)wh=K0K1K3WdAwh

其中：K0=0.75（按施工架設(shè)期間取值）；

K1=ηK1=0.45× 1.2=0.54（桁架風(fēng)載系數(shù)）；

K3=1.4（按最不利地形地理?xiàng)l件選取）；

K2=1.08（按A類地表，離地面或水面5m高度計(jì)）；

K5=1.38（按A類取陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)）；

6級(jí)風(fēng)載：Vd=K2K5V0=1.08×1.38×13.8m/s=20.6m/s

求得:

單片貝雷片及橋面板迎風(fēng)面積：Awh=0.4A=0.4×1.7×3.0=2.04m2；

風(fēng)載為：Fwh=K0K1K3WdAwh=0.75×0.54×1.4×0.26×2.04=0.3(kN)

8級(jí)風(fēng)載時(shí)：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:

單片貝雷片及橋面板迎風(fēng)面積：Awh=0.4A=0.4×1.7×3.0=2.04m2；

風(fēng)載為：Fwh=K0K1K3WdAwh=0.75×0.54×1.4×0.585×2.04=0.68(kN)

④水流力：根據(jù)尼日利亞拉各斯情況，假定其流速是3.0m/s，在下部結(jié)構(gòu)計(jì)算中進(jìn)行闡述。

3 荷載組合

3.1 棧橋荷載組合

棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)，根據(jù)不同的工作狀態(tài)將計(jì)算分為三種工況，如表1所示。

棧橋各狀態(tài)下的計(jì)算工況 表1

用工況Ⅰ至工況Ⅱ?qū)蛏喜拷Y(jié)構(gòu)的內(nèi)力及下部鋼管樁的豎向荷載進(jìn)行計(jì)算，用工況Ⅲ下部鋼管樁的橫向荷載進(jìn)行計(jì)算。

工況Ⅰ：履帶吊機(jī)運(yùn)行至各聯(lián)邊跨時(shí)，其受力大于履帶吊機(jī)運(yùn)行至各聯(lián)中跨時(shí)的應(yīng)力，計(jì)算僅顯示履帶吊機(jī)在主梁邊跨上運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)受力。

工況Ⅱ：履帶吊機(jī)只能在墩頂起吊。

工況Ⅲ：棧橋主要承受棧橋結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)力及水流力，水流力作用于棧橋基礎(chǔ)上。在工況Ⅲ下，棧橋的上部結(jié)構(gòu)受力小，在工況Ⅲ下進(jìn)行計(jì)算樁基礎(chǔ)時(shí)進(jìn)行分析。

以下僅對(duì)工況Ⅰ～工況Ⅱ進(jìn)行分析。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 主梁計(jì)算

采用Midas/Civil 2006軟件，建立4×12m+4×12m共兩聯(lián)的空間計(jì)算模型，在建立有限元模型時(shí)，因?yàn)榻⒂邢拊獑卧臄?shù)量巨大，為了加快建立模型和分析計(jì)算，所以未按6～8孔一聯(lián)進(jìn)行建模，但對(duì)計(jì)算結(jié)果幾無(wú)影響，特此說(shuō)明。在進(jìn)行風(fēng)荷載加載時(shí)，采用8級(jí)風(fēng)載加載，相當(dāng)于集中荷載加在每片貝雷片桁架節(jié)點(diǎn)上。波浪力和水流力共同作用在鋼管樁上，相當(dāng)是上部貝雷片桁架橫向整體移動(dòng)，對(duì)其應(yīng)力影響不大，所以在結(jié)構(gòu)分析中不用考慮波浪力和水流力對(duì)棧橋的影響。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 棧橋計(jì)算模型

4.1.1 工況I

工況I組合為結(jié)構(gòu)自重+人行荷載+管道荷載+100t履帶吊機(jī)自重+風(fēng)載。

100t履帶吊機(jī)棧橋每聯(lián)僅布置一輛，按最不利受力情況布置于每聯(lián)第一跨跨中，其加載圖如圖4所示，此時(shí)求弦桿最大內(nèi)力。100t履帶吊機(jī)布置于制動(dòng)墩墩頂或非制動(dòng)墩墩頂時(shí)，求豎桿和斜桿的最大內(nèi)力，其加載圖如圖5～圖6所示。經(jīng)過(guò)對(duì)上述100t履帶吊機(jī)的各種受力情況進(jìn)行建模分析，其貝雷片各桿件的受力圖如圖7～圖9所示。

圖4 100t履帶吊機(jī)跨中走行時(shí)加載圖

圖5 100t履帶吊機(jī)走行至非制動(dòng)墩時(shí)加載圖

圖6 100t履帶吊機(jī)走行至制動(dòng)墩時(shí)加載圖

圖7 工況I時(shí)弦桿受力最大值

圖8 工況I時(shí)豎桿受力最大值

圖9 工況I時(shí)斜桿受力最大值

通過(guò)計(jì)算整理，工況Ⅱ荷載組合下貝雷片受力如表2。

工況I貝雷片受力表 表2

在工況I下，貝雷片滿足受力要求。制動(dòng)墩墩頂最大反力值為25.9t，非制動(dòng)墩墩頂最大反力值為48.3t。

4.1.2 工況Ⅱ

工況Ⅱ組合為結(jié)構(gòu)自重+人行荷載+管道荷載+100t履帶吊起吊20t+風(fēng)載。

100t履帶吊機(jī)只能在制動(dòng)墩墩頂或非制動(dòng)墩墩頂起吊，求貝雷梁的最大內(nèi)力，其加載圖如圖10～圖11所示。經(jīng)過(guò)對(duì)上述100t履帶吊機(jī)的各種受力情況進(jìn)行建模分析，其貝雷片各桿件的受力圖如圖12～圖14所示。

圖10 100t履帶吊機(jī)非制動(dòng)墩頂起吊20t

圖11 100t履帶吊機(jī)制動(dòng)墩頂起吊20t

圖12 工況Ⅱ時(shí)弦桿受力最大值

圖13 工況Ⅱ時(shí)豎桿受力最大值

圖14 工況Ⅱ時(shí)斜桿受力最大值

通過(guò)計(jì)算整理，工況Ⅱ荷載組合下貝雷片受力如表3。

工況Ⅱ貝雷片受力表 表3

在工況Ⅱ下，貝雷片滿足受力要求。制動(dòng)墩墩頂最大反力值為28.2t，非制動(dòng)墩墩頂最大反力值為48.1t。

4.2 樁基礎(chǔ)計(jì)算

4.2.1 受力計(jì)算

通過(guò)上述計(jì)算得知，非制動(dòng)墩樁基豎向最大軸力為48.3t，制動(dòng)墩樁基最大豎向軸力28.2t。

按壓彎構(gòu)件來(lái)計(jì)算單根樁的穩(wěn)定性，采用φ800×8mm鋼管的鋼管樁。

軸力N＝483kN，計(jì)算長(zhǎng)度取Ic=18+3+2T，其中18m為考慮水深，3m為淤泥覆蓋層，0.8m為樁徑，根據(jù)此處地質(zhì)情況，鋼管樁作為彈性樁進(jìn)行計(jì)算，樁底最小錨固深度為，最小錨固深度為4T=5.8m,假象嵌固點(diǎn)為2T=2.9m,故鋼管計(jì)算長(zhǎng)度為Ic=18+3+2T=23.9m，其長(zhǎng)細(xì)比λ=23.9 0.28=85。

通過(guò)計(jì)算可知，其最大穩(wěn)定應(yīng)力為80.8MPa小于容許應(yīng)力[σ]=170MPa。

4.2.2 鋼管樁承載力計(jì)算

①基樁設(shè)計(jì)參數(shù)

成樁工藝為鋼管樁，承載力設(shè)計(jì)參數(shù)取值根據(jù)建筑樁基規(guī)范查表，孔口標(biāo)高0.00m，樁頂標(biāo)高0.00m，樁身設(shè)計(jì)直徑d=0.80m，樁身長(zhǎng)度l為15.00m，樁尖端部構(gòu)造形式為敞口。

②巖土設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算參數(shù)如表4和表5。

巖土計(jì)算參數(shù)表 表5

③樁身周長(zhǎng)u、樁端面積Ap計(jì)算

④單樁豎向抗壓承載力估算

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）表5.2.10查表，側(cè)阻擠土效應(yīng)系數(shù)λs=0.87；

樁端進(jìn)入持力層深度hb=1.00m，hbds<5，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）公式5.2.10-2，計(jì)算樁端閉塞效用系數(shù)λp:

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）5.2.10按下式估算單樁承載力：Quk=Qsk+Qpk

土的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為：

總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為：

單樁豎向抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：

單樁豎向承載力特征值Ra計(jì)算，根據(jù)基礎(chǔ)規(guī)范附錄Q條文Q.0.10第7條規(guī)定：Ra=Quk2=1260 2=630kN

鋼管的插打深度為15m，滿足承載力為483kN的要求。

5 結(jié)論

針對(duì)尼日利亞拉各斯地區(qū)風(fēng)大、強(qiáng)風(fēng)多的特點(diǎn)，對(duì)尼日利亞拉各斯輕軌跨海橋棧橋方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，確定了棧橋的詳細(xì)構(gòu)造，采用Midas軟件對(duì)棧橋建立了整體的有限元仿真模型。模型準(zhǔn)確處理了主梁與橫梁、主梁與分配梁的接觸，并按照不同工況進(jìn)行加載計(jì)算。

綜上所述，各種工況4×12m跨棧橋豎向彈性變形與非彈性變形之和最大值為12.9mm，棧橋的變形都小于L/400，符合要求。

通過(guò)比較上述各種工況下貝雷片的受力情況，可以得知100t履帶吊機(jī)荷載組合為主梁控制荷載。對(duì)于4×12m棧橋，100t履帶吊運(yùn)行至每跨的跨中時(shí)，弦桿受力最大，最大值為192.1kN；100t履帶吊機(jī)在非制動(dòng)墩墩頂起吊20t時(shí)，貝雷片豎桿受力最大，最大值為124.5kN；100t履帶吊機(jī)在非制動(dòng)墩墩頂起吊20t時(shí)，斜桿受力最大，最大值為85.4kN。在工況I、Ⅱ下，制動(dòng)墩單樁最大軸力為28.2t，非制動(dòng)墩單樁最大軸力為48.3t。通過(guò)計(jì)算可知，鋼管樁的最大穩(wěn)定應(yīng)力為80.8MPa，小于容許應(yīng)力[σ]=170MPa。鋼管的插打深度為15m，滿足承載力為483kN的要求。