異形拱人行橋設計

楊昌樹，阮 濤，廖 義

（中國市政工程西北設計研究院有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展、城市的快速建設，城市人行橋的美感在人們生活環(huán)境中所產(chǎn)生的精神作用和美學價值越來越引起人們的重視[1-2]，異形人行橋的運用逐漸增多。異形拱橋作為拱橋的一種特殊形式，在結構型式和力學特性上均有別于常規(guī)拱橋[3-5]。對一種新型的異形拱人行橋進行分析研究，具有實際的工程意義。

1 工程概況

貴陽市圖書館人行橋作為貴陽市2017年“十件事實”重點項目之一，橋梁位于市圖書館正前面、河濱公園后門處，上跨南明河，橋位處人流量大、周邊環(huán)境優(yōu)美，景觀要求很高。橋型為單跨梁拱組合橋梁，拱肋采用單拱沿橋面中線左右交錯布置，主跨75 m，主梁高度0.6 m，主梁平面為S形彎橋面，橋梁結構總寬8.4 m，橋面寬6 m，拱肋及主梁材料均采用鋼結構，吊索采用雙面索非對稱布置。橋梁具有造型獨特、結構美觀、受力合理等特點；該橋于2018年建成，現(xiàn)已成為貴陽市地標性建筑物（見圖1、圖2）。

圖1橋梁效果圖

圖2成橋照片

2 結構設計

2.1 拱肋結構

拱肋計算跨徑為75.6 m，計算矢高16.82 m，矢跨比為1/4.5。拱肋為無鉸拱，拱肋線形采用圓曲線，拱肋橫斷面為“倒梯形”箱形截面，截面高度為1 m，截面上緣寬度1 m，下緣寬度0.7 m。拱肋箱室采用鋼板焊接成型，頂、底板及腹板厚度均為30 mm，箱室內(nèi)設置縱向加勁肋，縱向每隔1.5 m設置一道橫隔板，橫隔板厚度為20 mm，鋼材采用Q345C。

拱肋和主梁的跨中預拱度均為3 cm，按二次拋物線向兩端過渡。

2.2 主梁結構

主梁采用正交異性板結構，頂板厚度16 mm，在吊索處設置橫梁，橫梁采用24 mm厚的鋼板，高度為60 cm，縱向間距為3 m，橫梁兩端連接吊桿處設置邊縱梁；主梁縱向兩側設置50 cm高的縱梁，中間設置3道30 cm高的次縱梁，頂板橫向設置板肋加勁板，間距30 cm。

2.3 吊索

吊索采用雙面索，縱向間距為3 m，材料采用雙層PE套的平行鋼絲束成品索，規(guī)格為PESC5-37；鋼絲采用環(huán)氧噴涂防腐處理，吊索錨具采用冷鑄墩頭錨，吊索在主梁端設置為張拉端，拱肋端為固定端。

2.4 下部構造

拱座基礎采用樁基承臺基礎，承臺長、寬、高尺寸為5.2 m×5.2 m×2.5 m，每個承臺下設置4根樁基，樁徑為1.2 m，采用人工挖孔樁，樁基按嵌巖樁設計。主梁兩端設置橋臺，基礎為擴大基礎，主梁在橋臺上按簡支梁設置雙支座。

3 計算模型

采用midas Civil軟件建立空間有限元模型，其中拱肋、主梁縱橫梁采用梁單元模擬，吊索采用僅受拉桁架單元模擬，邊界條件設置為拱肋拱腳固結，主梁在橋臺處設置簡支支座。全橋有限元空間模型如圖3所示。計算荷載包括結構自重、二期恒載、人群荷載、溫度荷載、基礎變位、風荷載。

圖3 全橋有限元空間模型

4 結構受力分析

4.1 應力計算

成橋階段拱肋、主梁在作用基本組合下的應力極大值見表1。

表1 應力計算值

應力計算結果表明：拱肋上緣最大拉應力為-140.5 MPa，位于拱腳處；拱肋下緣最大拉應力為-91.8 MPa，位于邊吊桿處，區(qū)別于常規(guī)拱橋拱肋下緣最大拉應力位于拱頂處；最大壓應力位于拱腳下緣；主梁最大應力為160.4 MPa，位于邊縱梁。應力驗算均滿足規(guī)范要求。

4.2 位移計算

成橋階段橋梁在恒載+人群荷載作用下主要構件的位移見表2。

表2 位移計算結果

位移計算結果表明：拱肋的最大豎向撓度為34.7 mm，位于拱頂處，撓跨比 1/2178＜1/500；在恒載+人群荷載（偏載）作用下，拱肋在橫橋向的最大水平位移為51.8 mm，位于拱頂段，其原因是結構不對稱且人群荷載偏載作用引起，同時說明了單拱肋的橫向剛度較小。主梁的最大豎向撓度為19.6 mm，位于主梁無吊索區(qū)中段，主梁橫橋向水平位移很小，主梁橫向剛度大。

4.3 索力計算

全橋共布置36根吊索，拱肋兩側各18根，按雙索面非對稱布置。索力按倒拆法計算調整，成橋索力見表3。

表3 成橋索力

由成橋索力值可知索力具有以下特征：3#～17# 中間吊索索力較為均勻，1#、2#、18#、19#邊吊索索力較大，其原因是出于凈空及景觀方面的要求，邊吊索距主梁支座位置的距離較大。索力均為拉力，并未因結構的不對稱而出現(xiàn)壓力（吊索不受力）；索力縱橋向沿跨中基本對稱，橫橋向由于結構不對稱而索力有差異，差異不大。

4.4 動力特性分析

橋梁在成橋狀態(tài)下的前5階自振頻率及振型見表4。計算結果表明，一階豎彎自振頻率（基頻）計算值為1.83 Hz，動載試驗的實測值為2.34 Hz，實測值fmi/計算值fdi=1.24＞0.9，表明結構動剛度滿足規(guī)范要求。通過分析可知，結構基頻實測值大于計算值，結構實際剛度大于理論剛度，主要是由于計算時沒有考慮欄桿及鋪裝對結構剛度的影響。

表4自振頻率及振型

根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》（CJJ 69—1995），該橋不能滿足人行橋豎向自振頻率不應小于3 Hz的規(guī)定。參考國外人行天橋設計規(guī)范，為確保結構的安全、舒適，采用了調諧質量阻尼器（TMD）進行減振設計，能滿足人致振動舒適度的要求[6-7]。

4.5 穩(wěn)定性計算

在恒載和人群荷載作為可變荷載工況下，橋梁結構前50階穩(wěn)定系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)見表5。

表5 穩(wěn)定系數(shù)

穩(wěn)定性計算結果表明，橋梁結構穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，最先出現(xiàn)失穩(wěn)的是橋面系局部失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為7.85，拱肋及主梁出現(xiàn)整體面外失穩(wěn)的系數(shù)為14.3，說明橋面系穩(wěn)定性較弱，結構整體穩(wěn)定性的面內(nèi)剛度相對面外剛度大，拱肋的橫向穩(wěn)定性較弱。

5 結 語

本文異形拱人行橋結構上具有單拱肋、彎橋面、非對稱吊索等特點，結構受力方面主要具有以下主要特點：

（1）拱肋下緣最大拉應力出現(xiàn)在邊吊索吊點處，邊吊索索力最大，是中吊索索力的3.4倍，中吊索索力比較均勻。

（2）在恒載+人群荷載作用下，拱肋在橫橋向的最大水平位移比豎向撓度大，說明單拱肋的橫向剛度較?。恢髁旱淖畲筘Q向撓度位于主梁兩端無吊索區(qū)。

（3）1階豎彎自振頻率（基頻）計算值為1.83 Hz，動載試驗的實測值為2.34 Hz。通過分析可知，結構基頻實測值大于計算值，結構實際剛度大于理論剛度，主要是由于計算時沒有考慮欄桿及鋪裝對結構剛度的影響。鑒于該橋不能滿足相應規(guī)范要求豎向自振頻率不應小于3 Hz的規(guī)定，參考國外人行天橋設計規(guī)范，采用調諧質量阻尼器（TMD）進行減振設計，能滿足人致振動舒適度的要求。

（4）穩(wěn)定性計算表明橋面系局部失穩(wěn)最先發(fā)生，其次是拱肋面外失穩(wěn)，最后是拱肋面內(nèi)失穩(wěn)，單拱肋面內(nèi)穩(wěn)定性較面外穩(wěn)定性好。