大跨下承式單肋鋼管混凝土人行拱橋設(shè)計(jì)

盧小鋒，田 波

（四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610041）

1 工程概況

高翔東路人行橋位于武侯區(qū)與錦江區(qū)交界的錦江河上，現(xiàn)狀河道規(guī)劃河堤邊線85 m，橋位右岸為白云小區(qū)和將軍樓，左岸為翡翠城小區(qū)，左岸上游為東湖公園。該人行橋設(shè)計(jì)主要為了解決錦江兩岸的人行交通東側(cè)為已建成的公園綠化帶，西側(cè)為在建的沿河綠化帶，場地地形平坦，地面高程491.10～491.92 m，場地地貌屬岷江水系I 級(jí)階地。根據(jù)鉆孔資料顯示，在鉆孔揭露深度27 m 范圍內(nèi)，地基土從新至老依次為人工填土（Q4m）l、第四系全新統(tǒng)（Q4al+p）l沖洪積層卵石土及白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g）泥巖。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)荷載：人群荷載5.0 kN/m2；欄桿推力2.5 kN/m。

（2）人行橋主橋?qū)挾龋嚎倢?.0 m。

（3）梯步寬度：3.0 m。

（4）地震基本烈度：7 度；地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，抗震設(shè)防措施8 級(jí)。

（5）航道標(biāo)準(zhǔn)：航道等級(jí)：Ⅵ-(2)級(jí)；雙向通航凈空：凈64 m×6 m。

（6）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

（7）設(shè)計(jì)洪水頻率：1/200。

（8）環(huán)境設(shè)計(jì)類別：Ⅰ類。

（9）相對(duì)濕度：多年平均為82%。

(10)結(jié)構(gòu)使用基準(zhǔn)期：100 a。

3 橋型方案的選擇

根據(jù)通航安全影響論證報(bào)告，橋式方案在左岸下河心村樞紐船閘上引航道通航水域內(nèi)不得設(shè)置橋墩，擬采用一跨過江的橋式方案。

初步設(shè)計(jì)階段考慮了單肋鋼管混凝土下承式拱橋方案、下承式鋼箱拱橋方案和雙塔斜拉橋方案。綜合造型、結(jié)構(gòu)功能、施工方案、工程造價(jià)、后期運(yùn)營管理等，單肋鋼管混凝土拱橋方案最為適宜，作為推薦方案。

表1 為橋型方案對(duì)比表。圖1、圖2分別為推薦方案立面和橫斷面布置圖。

4 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主橋拱肋

主跨跨徑100.5 m，主拱肋為矢跨比1/6 的懸鏈線拱。計(jì)算矢高16.25 m，拱軸系數(shù)m=1.167。拱肋直徑1.2 m，從拱腳到拱頂分別采用壁厚為26 mm、22 mm、18 mm 三種鋼管。管內(nèi)混凝土采用C50 自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。拱肋鋼管采用Q345C，可采用無縫鋼管或直縫焊接鋼管，不得采用螺旋焊管。拱肋預(yù)拱度線型采用二次拋物線型。拱肋分成6個(gè)吊裝節(jié)段和一個(gè)合攏段。拱梁結(jié)合部位構(gòu)造如圖3所示，拱腳鋼管與主梁頂板、橫隔板焊接，并在鋼管內(nèi)以及鋼箱梁內(nèi)設(shè)置若干加勁板以加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性能。

表1 橋型方案對(duì)比表

圖1 推薦方案主橋立面布置圖（單位：m）

圖2 推薦方案主橋橫斷面布置圖（單位：cm）

圖3 拱梁結(jié)合段構(gòu)造剖面圖（單位：mm）

4.2 主橋主梁

主梁采用單箱雙室鋼箱梁，Q345C 鋼材，橋面全寬7 m，跨中梁高1.0 m，梁端高度1.8 m。頂板厚12 mm,底板厚16 mm，腹板厚12 mm,頂、底板加勁肋厚12 mm，腹板縱向加勁肋厚12 mm,橫隔板厚10 mm?？紤]運(yùn)輸條件的限制，鋼箱梁分段在工廠制造，工地安裝。鋼箱梁分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和拱腳端節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段分為3.5 m 和4.25 m 兩種類型，端節(jié)段為6 m。

拱梁固結(jié)，主梁同時(shí)兼做系桿平衡主拱推力。

4.3 吊桿

主橋吊桿共設(shè)13 根，拱腳吊桿距離拱腳6.75 m，其余吊桿間距為7 m。吊桿采用剛性吊桿，材質(zhì)為GLG460-UU 型鋼拉桿，桿體直徑為75 mm，屈服強(qiáng)度為460 MPa，吊桿材料參考《鋼拉桿》（GB/T20934-2007），吊桿兩端采用銷軸與拱肋、主梁連接。吊桿安全系數(shù)大于2.5。

4.4 主橋下部結(jié)構(gòu)及支座布置

主墩采用直徑1.4 m 的鋼筋混凝土圓柱墩，樁基礎(chǔ)采用直徑1.5 m 鉆孔灌注樁，樁基礎(chǔ)為嵌巖樁。在主橋兩端各設(shè)置兩個(gè)矩形固定型高阻尼隔震橡膠支座（HDR（Ⅰ）-450×550-G8/8），盡可能增大主橋兩端支座橫向間距，以提高橋梁整體的穩(wěn)定性，支座間距4.7 m，全橋共設(shè)置4 個(gè)。梯步、緩坡道通過主橋墩橋墩蓋梁擋塊頂布設(shè)兩個(gè)GYZF4 175 ×35 滑板式橡膠支座與主橋銜接（見圖4）。

5 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

5.1 靜力分析

5.1.1 總體靜力計(jì)算

采用Midas Civil 軟件，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力、變形分析。全橋計(jì)算模型如圖5所示，其中，拱肋、主梁采用梁單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬。

圖4 主橋下部及支座布置圖（單位：cm）

圖5 靜力計(jì)算模型

運(yùn)營階段，人群荷載布置按圖6所示方式進(jìn)行布載，選取其中最不利狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。

圖6 人群荷載布置形式示意圖

拱肋在最不利荷載組合作用下，拱肋上緣混凝土最大壓應(yīng)力為15.9 MPa，鋼管最大壓應(yīng)力為100.9 MPa，最大拉應(yīng)力為12.4 MPa；拱肋下緣混凝土最大壓應(yīng)力為10.9 MPa，鋼管最大壓應(yīng)力為69.1 MPa，最大拉應(yīng)力為32.0 MPa。

主梁在最不利荷載組合作用下，上緣最大拉應(yīng)力為69.3 MPa，最大壓應(yīng)力為47.9 MPa；下緣最大拉應(yīng)力為82.8 MPa，最大壓應(yīng)力為13.4 MPa。

剪應(yīng)力最大為49 MPa，最小為33.9 MPa。各應(yīng)力計(jì)算值均小于規(guī)范容許值。

5.1.2 吊桿內(nèi)力

運(yùn)營階段吊桿最大拉力為542 kN，吊桿安全系數(shù)為2.9。

5.1.3 支座反力計(jì)算

1.3 人工孵化 受精卵在孵化槽內(nèi)以流水方式進(jìn)行孵化。孵化槽規(guī)格為長120 cm、寬35 cm、深30 cm；水溫控制在（16±0.5）℃，溶解氧6.5 mg∕L以上，pH為7.5；水流速度控制在0.03 m∕s；平均孵化時(shí)間150 h，最早120 h。受精卵采集完成后稱重，同時(shí)取5 g卵計(jì)數(shù)，從而推算出卵的數(shù)量；孵化出的魚苗采用稱重法測算。魚卵孵化過程中要及時(shí)挑出死卵，防止水霉著生。

單個(gè)支座豎向最大反力為2757 kN，最小反力為1980 kN。各工況下未出現(xiàn)負(fù)反力。

5.1.4 位移計(jì)算

表2 列出撓度計(jì)算結(jié)果。

表2 撓度計(jì)算結(jié)果表（單位：cm）

在人群荷載作用下，拱肋最大豎向撓度（正負(fù)撓度絕對(duì)值之和）為12.7 cm，小于《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)程》要求值L/650=15.6 cm；在人群荷載作用下，主梁最大豎向撓度（正負(fù)撓度絕對(duì)值之和）為12.8 cm，小于《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)程》要求值L/500=20.1 cm。

5.1.5 拱肋承載能力計(jì)算

經(jīng)驗(yàn)算，鋼管拱肋強(qiáng)度承載能力、鋼管拱肋穩(wěn)定承載能力均滿足規(guī)范相應(yīng)要求。

5.1.6 端節(jié)段局部分析應(yīng)力計(jì)算結(jié)論

端節(jié)段局部分析計(jì)算采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立箱梁三維實(shí)體模型，如圖7所示。模型中，在拱角拱肋處施加拱肋傳下來的節(jié)點(diǎn)荷載，在主梁處施加主梁傳來的荷載，在支座處施加豎向、水平向及縱向約束。表3 為端節(jié)段局部分析應(yīng)力表。

圖7 端節(jié)段局部分析有限元模型

表3 端節(jié)段局部分析應(yīng)力表

各構(gòu)件應(yīng)力均小于規(guī)范容許值。

5.1.7 上下吊點(diǎn)局部分析應(yīng)力計(jì)算

上下吊點(diǎn)局部分析計(jì)算采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立三維有限元分析模型如圖8所示。

圖8 上下吊點(diǎn)局部分析有限元模型

上吊點(diǎn)最大等效應(yīng)力：縱向加勁板應(yīng)力191 MPa，銷栓孔加勁板應(yīng)力等效應(yīng)力為208 MPa，環(huán)向加勁板應(yīng)力59 MPa。

下吊點(diǎn)最大等效應(yīng)力為：吊耳應(yīng)力226 MPa，環(huán)向加勁板應(yīng)力187 MPa，吊耳兩側(cè)豎向加勁板(橋面以上)應(yīng)力126 MPa，吊耳兩側(cè)豎向加勁板(橋面以下)應(yīng)力66 MPa，吊耳中間豎向加勁板(橋面以上)應(yīng)力 1 26 MPa。

吊點(diǎn)的最大等效應(yīng)力最小于規(guī)范容許值。

5.2 穩(wěn)定計(jì)算（見表4）

表4 運(yùn)營階段前四階穩(wěn)定系數(shù)表

計(jì)算分析表明，整體失穩(wěn)首先為橫彎失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)較大，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好。

5.3 人行振動(dòng)分析研究

5.3.1 動(dòng)力特性分析

對(duì)建立的全橋有限元模型進(jìn)行動(dòng)力分析，提取全橋的前10 階頻率和振型，如表5 所列。根據(jù)國外最新修訂的人行橋規(guī)范 BS5400（BD/01）和EN1990 認(rèn)為，人行橋豎向基頻小于3 Hz，橫向基頻小于1.5 Hz 時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行人致振動(dòng)分析和評(píng)估。

表5 全橋前10 階頻率和振型一覽表

5.3.2 人行振動(dòng)分析

對(duì)該人行橋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行人行振動(dòng)分析，評(píng)估該橋在正常使用荷載和不利荷載作用下人行舒適性是否能滿足要求。分析結(jié)論如下：

采用人群荷載強(qiáng)迫激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)分析，得到橫向加速度峰值為0.0013 m/s2≤0.1 m/s2，豎向加速度峰值為0.0400 m/s2≤0.5 m/s2。舒適性評(píng)價(jià)為“最好”。

6 總體施工方案

全橋采用搭設(shè)棧橋拼裝主梁，搭設(shè)門式框架支架拼裝主拱，采用先成梁再成拱的施工方式。

在錦江河上搭設(shè)跨河施工棧橋，作為該工程的鋼結(jié)構(gòu)主要施工平臺(tái)。施工棧橋由滑移棧橋和吊裝棧橋組成。其中滑移棧橋主要負(fù)責(zé)主橋的滑移安裝，主梁采用頂推法分段拼裝后頂推到位。吊裝棧橋主要負(fù)責(zé)鋼管拱、吊桿、上部支撐等構(gòu)件的運(yùn)輸、安裝及臨時(shí)措施的拆除作業(yè)平臺(tái)，主拱采用汽車吊機(jī)分段吊裝后在支架上拼裝。

7 小結(jié)

高翔東路人行橋主橋采用下承式單肋鋼管混凝土拱橋，全橋結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用焊接連接，鋼結(jié)構(gòu)工廠制作，現(xiàn)場安裝，施工工期短。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性能、人行舒適性均能滿足規(guī)范要求，又滿足了景觀要求。

[1] 袁旭斌,孫利民.人行橋人致振動(dòng)特性研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2006.

[2] 陳政清,劉光棟.人行橋的人致振動(dòng)理論與動(dòng)力設(shè)計(jì)[J].工程力學(xué),2009.