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浮桥设计方案(肯尼亚里科尼人行浮桥总体设计)

浮桥设计方案(肯尼亚里科尼人行浮桥总体设计)(2)满足行人基本的通行要求,适当照顾舒适度;(1)作为应急工程,施工速度要快;收稿日期:2021-10-15基金:中国交建科技研发项目“浮式桥梁方案设计关键技术研究” 项目编号2019-ZJKJ-13;中交集团交通强国建设试点“悬浮结构前沿关键技术” 项目编号ZJJTQG-RW3-1-1;里科尼人行浮桥位于肯尼亚共和国蒙巴萨市,是蒙巴萨港进出航道上的一座人行浮桥,该桥连接蒙巴萨半岛和里科尼地区。两岸以前的出行方式仅有渡轮一种可供选择,每天通行人次约30万人。2020年初,肯尼亚新冠疫情爆发,为应对疫情,肯尼亚政府决定建造一座人行桥,以缓解现有通行渡轮人员拥挤不利于疫情防控的现状。蒙巴萨港是东非第一大港,每天进出船舶频繁,为保证航道进出港船舶的正常通行,本桥还需满足通航要求。根据业主(肯尼亚国家公路局)的要求,本项目功能定位如下:

彭运动 张凯 刘波 张永良 刘俭峰

中交公路规划设计院有限公司 清华大学

摘 要:肯尼亚里科尼人行浮桥为应急桥梁,是“一带一路”倡议重点国别——肯尼亚的第一座由中国设计和制造的浮式结构桥梁,其兼具行人通行和水平开启通航的功能。其技术特点突出,完全采用中国标准,其中浮桥部分采用钢质浮箱和钢桥跨,各部分销接连接,满足快速施工和开启要求;为保证水中稳定,浮桥采用水中锚缆和钢管桩架系泊,其中端部桩架在浮桥水平开启时具有“转轴”功能;为实现开启和关闭,通过浮体外挂动力马达进行驱动;为适应潮差,在浮桥部分和栈桥间设置过渡跨;栈桥和过渡跨均采用装配式钢桥产品,以方便施工。为精确计算出环境作用下浮桥结构的响应,建立了基于势流理论的全桥数值模型,以支撑结构设计。

关键词:桥梁工程;浮桥;开启;浮体;系泊;势流理论;

收稿日期:2021-10-15

基金:中国交建科技研发项目“浮式桥梁方案设计关键技术研究” 项目编号2019-ZJKJ-13;中交集团交通强国建设试点“悬浮结构前沿关键技术” 项目编号ZJJTQG-RW3-1-1;

1 工程概况

里科尼人行浮桥位于肯尼亚共和国蒙巴萨市,是蒙巴萨港进出航道上的一座人行浮桥,该桥连接蒙巴萨半岛和里科尼地区。两岸以前的出行方式仅有渡轮一种可供选择,每天通行人次约30万人。2020年初,肯尼亚新冠疫情爆发,为应对疫情,肯尼亚政府决定建造一座人行桥,以缓解现有通行渡轮人员拥挤不利于疫情防控的现状。蒙巴萨港是东非第一大港,每天进出船舶频繁,为保证航道进出港船舶的正常通行,本桥还需满足通航要求。根据业主(肯尼亚国家公路局)的要求,本项目功能定位如下:

(1)作为应急工程,施工速度要快;

(2)满足行人基本的通行要求,适当照顾舒适度;

(3)为满足通航,航道部分需可开启,满足至少150 m的通航净宽要求;

(4)设计使用年限10年。

基于以上功能要求,经过方案研究比选,最终采用“水中浮桥 固定式栈桥”的桥型方案。其中,水中浮桥部分可水平开启,满足通航要求;浮体与栈桥均采用全装配化钢结构,中国制造,现场拼装,施工速度快,作为应急项目优势明显[1 2]。

中国交建科技研发项目(2019-ZJKJ-13浮式桥梁方案设计关键技术研究)相关研究成果为本桥的设计提供了坚实的理论和技术支撑。本桥于2020年8月开始主体施工,于2021年元旦正式投入使用(图1) 目前已安全运营约一年,使用状况良好。

浮桥设计方案(肯尼亚里科尼人行浮桥总体设计)(1)

图1 实桥照片

2 主要技术标准

(1)人行道净宽:6.0 m。

(2)设计使用年限:10年(主体结构) 5年(附属结构)。

(3)运营条件:风力不超过6级(Beaufort Wind Scale)且不超过二级海况(Douglas Sea Scale 最大浪高0.5 m)。

(4)极限条件:风力不超过8级(Beaufort Wind Scale)且不超过三级海况(Douglas Sea Scale 最大浪高1.25 m)。

(5)通航净空:净宽150 m 桥位水域设置必要助航设施。

(6)潮差:最大4.20 m 平均水位1.88 m。

(7)环境作用:见表1

表1 环境作用基本参数

基本风速m/s基本风速m/s

设计流速m/s设计流速m/s

波浪(1/100)

22.5

2

波浪1:有效波高1.1 m 周期 7 s;
波浪2:有效波高 0.9 m 周期11.4 s。

(8)服务目标与环境适用条件见表2。

3 总体设计3.1方案研究

表2 服务目标与环境适用条件


服务目标


环境适用条件(任一均不超过)


海况等级

风力等级

可正常通行

一级海况,有效波高0~0.1 m

六级以内

可通行,但舒适性较差,行人有眩晕感

二级海况,有效波高0.1~0.5 m

六级以内

不可通行,封闭交通,浮桥开启并系泊

三级海况,有效波高0.5~1.25 m

六级~八级

浮桥功能性构件会发生损坏,完全修复前无法继续使用

四级海况,有效波高1.25~2.5 m

八级以上

本项目定位为应急项目,实施方案除了应满足安全、耐久、适用、经济的原则要求,还应具有建造速度快的特点。对于本项目,建造速度尤其重要,相比而言,环保和美观不作为本项目的主要控制因素。

本项目方案比选情况如表3所示。

表3 桥型方案比较

桥型方案

方案一:
全浮桥方案

方案二:
全浮桥方案

方案三:
“水中浮桥 固定式栈桥”组合方案


桥位

渡轮下游100 m处,距入海口1.8 km

渡轮上游约1.2 km处,
距入海口3.0 km

渡轮上游约1.2 km处,距入海口3.0 km


桥长/m

498.72

721.31

721.31


栈桥长/m

0

0

479.79


浮桥长/m

498.72

721.31

241.52

安全性

最靠近入海口,风浪条件差,对结构不利;位于航道拐弯处,船舶撞击风险高。

远离入海口,风浪条件较好;水面开阔,且位于航道直线上,船舶撞击风险低。

远离入海口,风浪条件较好;水面开阔,且位于航道直线上,船舶撞击风险低。


耐久性

浮桥较长,浮体、锚固系统等数量众多,后期养护工作量大。

浮桥长度较短,浮体、锚固系统等数量有限,后期养护工作量适中。

浮桥长度较短,浮体、锚固系统等数量有限,后期养护工作量适中。栈桥上部贝雷梁和钢管桩在厂内涂装,防腐措施、质量有保障;部分接头现场涂装,需做好现场质量控制。


适用性

满足人行要求,但风浪条件较长,适用性稍差;岸边浅水区域河床需局部开挖;存在一定船撞风险;桥位处的水中有管线,锚固系统布设存在风险;距离现有渡轮最近,无需绕行,人员通勤方便。

满足人行要求,风浪条件较好,适用性较好;岸边浅水区域河床需局部开挖;船撞风险小;桥位处的水中无管线;距离现有渡轮稍远,人员通勤需绕行。

满足人行要求,风浪条件较好,适用性较好;岸边浅水区域河床无需开挖;船撞风险小;桥位处的水中无管线;距离现有渡轮稍远,人员通勤需绕行。


经济性

由于浮桥延米造价相比于栈桥高,综合测算,方案一浮桥较长,经济性一般;方案二浮桥最长,经济性较差;方案三浮桥长度适中,经济性较好。

建造速度

浮体需单独加工,本方案浮桥较长,加工制造周期长;浮箱无法采用集装箱海运,运输数量多,一次发运难度高、成本高;浮体部分无下部结构,现场施工快,但总体建设速度一般。

同方案一,但本方案浮桥更长,加工制造和运输周期长,总体建设速度慢。

浮体长度最短,利用浮体制造过程现场施工栈桥下部钢管桩、附属钢构件和桥台等构造;栈桥上部采用成品贝雷梁;贝雷梁与附属钢构件采用集装箱第一批发货;浮体部分第二批发货;总体进度可控,建造速度快,应急响应速度快。

结论

经综合比选,推荐方案三

经综合比选,推荐采用方案三,总体布置与横断面如图2、图3所示。本方案桥长721.31 m 跨径布置为:248.04 m(钢栈桥) 21.74 m(过渡跨) 241.52 m(浮桥) 21.74 m(过渡跨) 188.27 m(钢栈桥)。

浮桥设计方案(肯尼亚里科尼人行浮桥总体设计)(2)

图2 推荐方案总体布置

单位:m

浮桥设计方案(肯尼亚里科尼人行浮桥总体设计)(3)

图3 推荐方案浮桥横断面布置

单位:m

3.2浮桥部分设计3.2.1基本组成

浮桥部分主体结构采用中国标准承压舟产品[3] 浮体为全钢结构,在中国的工厂内加工制造运至现场,以满足业主对建造速度的要求;浮桥端部设置端部桩架和水中锚固系统,两者共同抵抗风、浪和水流引起的浮体水平力;浮桥段跨中设置可提升跳板,用于跨中分离后对称开启,并可供小型船舶紧急通行。

3.2.2浮体

浮体由浮箱和桥跨组成,两者间通过销接方式连接,满足相关规范的要求[4]。

单个浮箱尺寸为14 m×3.17 m×2.4 m 人行通行宽度6 m 单个浮箱重约16 t; 浮箱两侧布置有连接单双耳接头及操纵装置,以便于浮箱与浮箱、浮箱与桥跨之间的连接。桥跨尺寸为8.66 m×3.4 m×0.75 m 单个桥跨重约6.5 t。为减小波浪荷载对浮桥的影响,桥跨接头采用刚接和铰接两种方式连接,以刚接为主,在适当部位采用铰接以释放部分转动约束。见图4。

3.2.3端部桩架与系泊桩架

端部桩架对称布置于桥轴线两侧,并布置于浮体端部,全桥共4处。单处端部桩架采用5根直径1 m的钢管桩;桩顶伸出水面一定高度,顶部采用钢管联结系连成整体;钢管桩顶部一定范围内填C30素混凝土以改善局部受力;桩架与浮体相连的桩为直桩,浮体通过侧面的固桩器与桩架连接。固桩器可沿桩上下滑动,不能平动,浮体所受水平力可通过固桩器传递到桩架上。

浮桥设计方案(肯尼亚里科尼人行浮桥总体设计)(4)

图4 浮体与桥跨一般构造

单位:m

系泊桩架与端部桩架类似,系泊桩架仅用于浮桥开启段开启后的锚泊。见图5。

3.2.4锚固系统

传统的浮桥锚固系统一般沿浮体长度均布于浮体两侧。本桥较为特殊,由于跨中活动部分需要开启通航,因此本桥无法在航道部分布置锚固系统。基于此,本桥采用Y形锚缆和斜张锚缆两种形式对浮体进行锚固,平面布置如图2所示。

Y形锚缆和斜张锚缆一端分别系固在浮桥端部浮体和跨中浮体上,另一端固定在水底重力锚上;重力锚采用20 t钢筋混凝土重力锚;Y形锚缆采用AM2级船用锚缆,斜张锚缆底端采用AM2级船用锚缆,上端采用20ZAA18×19 FC-1770ZS钢丝绳连接。

3.2.5开启系统

考虑到开启的便捷性,本桥采用外挂于浮体两侧的动力马达进行开启和关闭,同时也考虑了可采用拖轮顶推拖拽。本桥在靠近跨中位置的3号和4号浮箱间设置动力马达挂架,单处设施两个水平推力120 kN以上船用马达,全桥共4处。开启系统动力马达挂架为可旋转式平台,在开启和关闭时可转动马达提供不同方向的推力。此外,为方便小船通行,在跨中开启处设置可竖向提升的跳板。

浮桥设计方案(肯尼亚里科尼人行浮桥总体设计)(5)

图5 桩架立面一般构造

单位:m

3.3栈桥与过渡跨部分设计

栈桥上部结构采用贝雷桁架,下部结构采用钢管桩,一侧桥台采用重力式桥台,扩大基础,一侧采用钢管桩接桩帽的桩柱式桥台。

栈桥部分采用加强双排单层组合形式,标准跨径24.38 m; 过渡跨部分采用梁长27.43 m的加强双排单层组合形式,以满足21.74 m跨经要求,并在浮体上保证一定搭接长度;桥面板采用标准钢桥面板。

为适应桥位处最大4.2 m的潮差,在栈桥和浮桥段衔接处设置过渡跨。过渡跨上端设置固定铰支座,下端设置可纵向滑动的滚轴支座。为适应风浪作用下可能存在的水平转动,过渡跨上端支座还具有一定的水平转动功能。本桥在设计时研究比选了两种过渡跨方案,两种方案分别对应不同跨长和纵坡,比较情况如表4和图6所示。

表4 过渡跨方案比较

方案比较

方案一

方案二

跨度/m

27.11

42.67

结构形式

加强三排单层

加强四排单层

高潮位时纵坡/%

-0.25

-0.01

平均潮位时纵坡/%

8.00

5.26

低潮位时纵坡/%

15.40

10.00

单跨自重/t

约55

约100


比较结论

本桥定位为应急桥梁,如按照城市人行桥规范,过渡跨坡道按10%控制,则过渡跨跨径需做到42.67 m; 单跨重量较重,对该处浮桥端部浮平台十分不利,主要体现在浮式平台吃水较大,相邻浮体会“翘起” 对浮体开启和关闭时的连接十分不利。基于此,考虑采用较为经济的27.11 m过渡跨方案(方案一);为应对低潮位时的纵坡较大问题,该处人行道中间设置钢栏杆,栏杆焊接至桥面板上,并设置陡坡警示标识,以提高通行安全。

浮桥设计方案(肯尼亚里科尼人行浮桥总体设计)(6)

图6 过渡跨不同水位时纵坡示意

单位:m

4 结构总体计算

浮桥与栈桥通过过渡跨连接,二者为相互独立的结构,在计算时可分别计算。栈桥上部结构采用标准的贝雷梁产品,下部结构常规钢管桩,其计算这里不再给出。下面重点介绍浮桥在浪流荷载作用下的水动力响应计算。将计算得到的系泊反力用于锚缆和桩架的设计,具体过程这里不再给出。

4.1计算理论

考虑分布式浮箱所支承的浮桥结构,并由系泊系统和桩架来固定,每段浮桥段按铰连接考虑。研究对象由水体、浮桥结构体和系泊系统组成。

假设流体均匀不可压缩、无黏,流动无旋,则在此假设下,流体总速度势满足拉普拉斯方程(Laplace Equation)。流场的总速度势可以采用变量分离法进行时空分离,并且由入射波、绕射波和辐射波的空间速度势线性叠加而成。在满足自由面、海底、流固交界面的边界条件以及无穷远处的边界条件情况下,利用边界元法离散求解由拉普拉斯方程改写的边界积分方程,从而获得相关水动力参数[5 6]。

获得水动力参数后,可以计算由N个浮体铰接组成的浮桥结构的运动。浮桥结构在水体中要发生相互作用,会带动周围水体一起运动,由此所产生的附加质量和附加阻尼问题不可以忽略。因此,在构建结构运动方程时,应当考虑流体结构的相互作用。此外,根据连接件特性采用拉格朗日乘子法引入满足连接件条件的约束矩阵,进而得出系统运动方程,这样约束矩阵的表达式更加简洁,问题也更加简化,利于编程计算,如Sun L 等[7 8]。对结构体的运动方程,采用两级预估校正方法。采用上一时间步的速度和位置作为预测值,求解所有依赖于速度和位置的作用力,所有作用力求和可以求出结构加速度,用求得的加速度再进行一次计算进行修正。每一个时间步需要进行预估校正两次求解。

4.2模型建立

分别建立了两种状态下的浮桥模型,见图7。

浮桥设计方案(肯尼亚里科尼人行浮桥总体设计)(7)

图7 浮桥模型及编号

4.3计算工况,见表5

表5 计算工况

序号

海况

浮桥状态

有效波高/m

谱峰周期/s

波向/(°)

平均风速/(m·s-1)

平均流速/(m·s-1)

工况1

一级海况

正常通行

0.10

7 11.4

90 45

22.5

2

工况2

二级海况

正常通行

0.50

7 11.4

90 45

22.5

2

工况3

三级海况

开启

1.25

7 11.4

90 45

22.5

2

注:波向为桥轴线方向与波传播方向夹角,取逆时针为正。

4.4参数设置

浮体与锚缆参数设置见表6。

表6 浮体与锚缆参数

单组浮体质量/kg

转动半径/m

锚缆刚度kN⋅m−1锚缆刚度kΝ⋅m-1

端部桩架平动刚度kN⋅m−1端部桩架平动刚度kΝ⋅m-1

系泊桩架平动kN⋅m−1系泊桩架平动kΝ⋅m-1

Kxx

Kyy

Kzz

43 200

6.06

3.47

6.98

1 000

4 550

1 590

4.5计算结果4.5.1不同工况下各锚缆及钢管桩架系泊力

不同工况下各锚缆及钢管桩架系泊力见表7和表8。

表7 波向90°时各锚缆及钢管桩架系泊力

锚缆序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

工况2/kN

240.5

242.1

253.6

255.5

241.2

242.5

240.1

241.5

254.4

256.4

240.5

241.6

钢管桩架序号

13-15

16-18

钢管桩架序号

1

2

3

4

⌶况2kN⌶况2kΝ

Xmax

60.5

59.5

⌶况3kN⌶况3kΝ

Xmax

117.9

228.4

118.0

228.4

Ymax

556.4

549.3

Ymax

80.4

416.7

80.5

416.7

Zmax

79.4

82.1

Zmax

316.1

85.9

316.1

86.0

表8 波向45°时各锚缆及钢管桩架系泊力

锚缆序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

工况2/kN

261.0

263.4

298.6

283.5

256.0

249.2

259.8

263.1

293.6

279.4

252.6

256.7

钢管桩架序号

13

14

钢管桩架序号

1

2

3

4

⌶况2kN⌶况2kΝ

Xmax

89.6

48.7

⌶况3kN⌶况3kΝ

Xmax

346.2

183.4

346.2

183.3

Ymax

662.1

536.4

Ymax

286.6

405.2

286.5

405.2

Zmax

102.5

62.5

Zmax

95.5

90.2

95.5

90.0

4.5.2不同工况下各浮体位移

不同工况下各浮体位移见表9和表10。

5 施工方案

本桥与常规桥梁相比施工方案较为简单,但也稍有不同,其中:

(1)水中钢管桩采用打桩船施工,桩架联结系杆件在中国加工,现场焊接;

(2)栈桥上部贝雷梁、过渡跨钢梁、浮箱均在中国加工,运至现场,采用汽车吊和浮吊辅助安装;

(3)混凝土桥台、锚碇、接线路基等现场常规施工。

6 结语

里科尼人行桥的设计充分发挥了浮式结构和固定式结构的特点,通过浮式结构的开启实现航道通行要求,并通过设置固定式栈桥、系泊、过渡跨、锚桩等构造实现了总体方案优异的功能性、可靠性、经济性和可施工性。本桥的浮体部分在计算时建立了基于势流理论的全桥数值模型,对系泊和桩架的设计提供了支撑。本桥的设计过程可为同类浮式结构桥梁和开启桥提供有益参考。浮桥通车大大便利了两岸百姓的通行,繁荣了当地的经济,缓解了疫情影响,本桥是中国桥梁工程师利用技术手段支持非洲国家抗击新冠疫情最好的例证。

表9 波向90°各浮体位移


序号

工况2下浮体位移/m

工况3下浮体位移/m


Xmax

Ymax

Zmax

Xmax

Ymax

Zmax

A

0.355

0.195

0.424

0.831

0.185

0.796

B

0.379

0.194

0.447

0.832

0.186

0.763

C

0.389

0.198

0.468

0.831

0.186

0.743

D

0.409

0.201

0.489

0.833

0.184

0.721

E

0.423

0.213

0.533

0.831

0.185

0.722

F

0.444

0.211

0.565

0.831

0.185

0.719

G

0.445

0.216

0.559

0.831

0.186

0.719

H

0.431

0.210

0.526

0.832

0.184

0.722

I

0.413

0.208

0.494

0.831

0.185

0.721

J

0.395

0.199

0.479

0.832

0.184

0.741

K

0.381

0.196

0.464

0.833

0.186

0.764

L

0.364

0.197

0.441

0.831

0.184

0.796

表10 波向45°各浮体位移


序号


工况2下浮体位移/m

工况3下浮体位移/m

Xmax

Ymax

Zmax

Xmax

Ymax

Zmax

A

0.456

0.161

0.468

0.838

0.432

0.753

B

0.438

0.149

0.471

0.836

0.384

0.718

C

0.426

0.128

0.497

0.836

0.312

0.684

D

0.422

0.117

0.529

0.835

0.286

0.655

E

0.406

0.114

0.544

0.835

0.287

0.656

F

0.409

0.111

0.579

0.834

0.301

0.708

G

0.399

0.105

0.584

0.834

0.302

0.708

H

0.391

0.101

0.561

0.835

0.286

0.656

I

0.381

0.099

0.546

0.835

0.287

0.655

J

0.367

0.095

0.519

0.836

0.312

0.684

k

0.344

0.095

0.494

0.836

0.384

0.719

L

0.336

0.094

0.479

0.838

0.432

0.755

参考文献

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