鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋設(shè)計(jì)

張紅雷

(華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014)

隨著城市建設(shè)不斷推進(jìn)，河道公園中的人行休閑景觀橋逐漸增多，景觀橋與自然環(huán)境產(chǎn)生呼應(yīng)關(guān)系[1-3]，使通行更方便、舒適，景觀結(jié)構(gòu)也更具美感。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)必須協(xié)調(diào)好人行景觀橋與周邊環(huán)境的關(guān)系，設(shè)計(jì)河道公園中的人行休閑景觀橋時(shí)應(yīng)遵循“以人民為中心、為城市而設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)理念[4-6]，配合河流兩岸的生態(tài)景觀帶，打造高品質(zhì)公共空間，實(shí)現(xiàn)可觀、可游的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

風(fēng)雨廊橋是一種有屋頂?shù)臉蛄?，具有遮陽避雨、供人休憩等用途，并且也是聚會交流和欣賞風(fēng)景的場所之一。借鑒古代風(fēng)雨廊橋設(shè)計(jì)理念，采用現(xiàn)代建筑材料和施工工藝，以城市小品類公共景觀橋?yàn)閷ο?，建造生態(tài)景觀休閑廊橋[7-10]，提升公園人文景觀效果。

根據(jù)現(xiàn)代化大跨徑城市景觀廊橋的設(shè)計(jì)需求，提出一種飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋設(shè)計(jì)方案，廊橋橋面結(jié)構(gòu)采用橢圓曲線形橋面板梁，飛燕式斜拉拱肋采用異形空間曲線鋼管構(gòu)形，廊橋頂部為馬鞍拋物曲面的透明玻璃頂棚造型，橋面放置花壇和座椅等建筑小品。設(shè)計(jì)中引入多種曲線元素，使風(fēng)雨廊橋具有空間曲線之美。

結(jié)合某生態(tài)景觀河道公園的休閑廊橋，開展鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋的構(gòu)形研究，同時(shí)進(jìn)行工程參數(shù)設(shè)計(jì)，并建立MIDAS有限元模型，進(jìn)行內(nèi)力分析和模態(tài)分析研究，以便驗(yàn)證飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋的結(jié)構(gòu)合理性。

1 構(gòu)型研究

某生態(tài)景觀河道上需建造一座80 m跨徑的現(xiàn)代化休閑風(fēng)雨廊橋，該橋采用鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋的結(jié)構(gòu)形式，造型優(yōu)美，可提升河道公園的人文景觀效果。

人行景觀廊橋頂部由馬鞍狀橢圓環(huán)鋼管結(jié)構(gòu)與正交馬鞍面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成，馬鞍面索網(wǎng)上擱置玻璃頂棚，起到遮風(fēng)擋雨的功用。

典型的雙曲拋物面(馬鞍面)方程為

(1)

其中，x、y和z為平面直角坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的變量；fx為馬鞍面縱向矢高；fy為馬鞍面橫向矢高；a、b分別為半長和半寬。馬鞍形玻璃頂棚如圖1所示。

圖1 馬鞍形玻璃頂棚

馬鞍形玻璃頂棚下方設(shè)置異形空間曲線鋼管構(gòu)架，彎曲鋼管構(gòu)成飛燕式斜拉拱肋，異形空間曲線鋼管構(gòu)架的平面正投影為橢圓圖形，拱肋側(cè)立面投影為余弦函數(shù)圖形，依據(jù)飛燕式斜拉拱橋的造型，將橢圓形狀鋼管彎曲為W形的飛燕式斜拉拱肋，異形空間拱肋在拱腳處彎曲翹起后形成斜拉索橋塔。

由于馬鞍形玻璃頂棚的支撐點(diǎn)跨徑距離較大，在飛燕式斜拉拱肋上方設(shè)置拱形鋼管支架，拱形鋼管支架頂住馬鞍形玻璃頂棚的異形空間曲線鋼管構(gòu)架，全橋共設(shè)置4根拱形鋼管支架。

為放置橋面板并提高異形鋼管飛燕式斜拉拱肋的整體性，在支座附近的斜拉拱肋之間設(shè)置2根鋼管支撐梁，全橋共設(shè)置4根鋼管支撐梁。異形鋼管飛燕式斜拉拱肋如圖2所示。

圖2 異形鋼管飛燕式斜拉拱肋

異形鋼管飛燕式斜拉拱肋須安裝拱肋間下部系桿拉索及拱肋間上部纜索，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，形成自平衡結(jié)構(gòu)體系。然后安裝吊索和尾部斜拉索，異形鋼管飛燕式斜拉拱肋懸吊橢圓形橋面板，形成具有馬鞍形玻璃頂棚的鋼管混凝土飛燕式斜拉拱人行景觀廊橋。

為避免下部系桿拉索置于水中阻擋河中行船，鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋設(shè)計(jì)為中承式飛燕拱橋。該設(shè)計(jì)方案將拱肋間下部系桿拉索設(shè)置在橋面板標(biāo)高之上，拱肋間系桿拉索兩端錨固于W形的飛燕式斜拉拱肋之中，下部系桿拉索埋置于橋面水泥砂漿找平層之中，橋面水泥砂漿找平層上方鋪設(shè)地磚，從而確保系桿拉索的耐久性。

異形鋼管飛燕式斜拉拱肋的下部系桿拉索設(shè)置為猶如懸臂梁結(jié)構(gòu)的正彎矩鋼絲纜，異形鋼管飛燕式斜拉拱橋的肋間上部纜索設(shè)置為猶如懸臂梁結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩鋼絲纜。鋼管混凝土飛燕式斜拉拱設(shè)置下部系桿拉索和拱肋間上部纜索后，可大幅提高飛燕式斜拉拱的結(jié)構(gòu)承載力和結(jié)構(gòu)剛度，以便采用浮運(yùn)拖拉過河的運(yùn)輸方案。浮運(yùn)拖拉過河方案中拱肋設(shè)置如圖3所示。

圖3 浮運(yùn)拖拉過河方案中拱肋設(shè)置

橋梁設(shè)計(jì)中引入多種曲線元素，曲線形廊亭橋與彎曲河道景觀帶二者渾然一體，打造休閑和生態(tài)景觀相結(jié)合的廊橋建筑，實(shí)現(xiàn)可觀、可游的設(shè)計(jì)理念，提升人文景觀效果。

設(shè)計(jì)中的馬鞍形頂棚風(fēng)雨廊橋部分結(jié)構(gòu)簡潔，兼具美感，遠(yuǎn)觀為馬鞍形玻璃頂棚的休閑涼亭，近看是曲線造型的景觀廊橋，河道景觀帶與風(fēng)雨廊橋相得益彰。

2 施工方案

鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋的施工步驟為：①依據(jù)雙曲拋物面(馬鞍面)方程下料鋼管，火工煨彎鋼管并將其運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，焊接拼裝形成馬鞍形頂棚鋼管環(huán)，并安裝正交馬鞍面索網(wǎng)，形成馬鞍形頂棚架。②依據(jù)余弦函數(shù)方程和雙曲拋物面(馬鞍面)方程，確定異形空間曲線鋼管拱肋的空間軸線，下料鋼管，火工煨彎鋼管并將其運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，焊接拼裝形成異形鋼管飛燕式斜拉拱肋。③現(xiàn)場焊接拼裝異形鋼管飛燕式斜拉拱肋和馬鞍形頂棚架，安裝拱形鋼管支架后，安裝鋼管支撐梁，形成馬鞍形頂棚的飛燕式斜拉拱肋骨架。④安裝拱肋間下部系桿拉索，再安裝拱肋間上部纜索，形成自平衡結(jié)構(gòu)體系，將該結(jié)構(gòu)浮運(yùn)拖拉過河，放置于水中橋墩之上。⑤鋼管內(nèi)灌注混凝土，安裝拱橋吊索后，安裝尾部斜拉纜索，懸吊橢圓形橋面，形成馬鞍頂棚的鋼管混凝土飛燕式斜拉拱橋。⑥安裝馬鞍形頂棚的鋼化玻璃，橋面花壇和座椅等建筑小品施工，安裝LED(發(fā)光二極管)路燈并運(yùn)行使用。馬鞍形頂棚的飛燕式斜拉拱橋如圖4所示。

圖4 馬鞍形頂棚的飛燕式斜拉拱橋

彎曲鋼管構(gòu)成異形空間曲線鋼管構(gòu)架的飛燕式斜拉拱肋，作為景觀廊橋的結(jié)構(gòu)骨架。橢圓曲線板梁作為中承式橋面板的結(jié)構(gòu)組成，可種植花草。安裝拱肋間下部系桿拉索和拱肋間上部纜索，形成自平衡結(jié)構(gòu)體系并將其浮運(yùn)拖拉過河。拱橋吊索和尾部斜拉纜索懸吊橋面，從而懸吊起橢圓曲線形橋面板梁結(jié)構(gòu)。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋橫跨河道公園景觀河道，橋梁總長為80 m，跨徑為17 m+36 m+17 m。

廊橋的平面正投影為橢圓圖形，該橢圓長軸長度為51 m、寬度為20 m，馬鞍形頂棚鋼管環(huán)采用0.8 m直徑鋼管，鋼管壁厚為12 mm，正交馬鞍面鋼絲索網(wǎng)固定在馬鞍狀橢圓環(huán)形鋼管之上，鍍鋅高強(qiáng)鋼絲纜索直徑為0.08 m，縱向設(shè)置9道鋼絲，橫向設(shè)置5道鋼絲。

飛燕式斜拉拱肋采用異形空間曲線鋼管構(gòu)架外形，其平面正投影為橢圓圖形，拱肋側(cè)立面投影為余弦函數(shù)圖形，采用0.8 m直徑鋼管，鋼管壁厚為14 mm，內(nèi)灌C60混凝土。

異形空間曲線鋼管構(gòu)架的拱腳處，左右兩側(cè)均設(shè)置2根橫向鋼管作為橋面板的支撐橫梁，橫梁鋼管直徑為0.8 m，鋼管壁厚為16 mm，內(nèi)灌C40混凝土。

為改善馬鞍形玻璃頂棚的受力性能，支座處設(shè)置拱形支撐，拱形支撐放置于異形空間曲線鋼管構(gòu)架之上，拱形支撐上部頂緊馬鞍狀橢圓環(huán)形鋼管，拱形支撐采用0.4 m直徑鋼管，鋼管壁厚為8 mm，內(nèi)灌C40混凝土。

馬鞍形玻璃頂棚的飛燕式斜拉拱橋中間設(shè)置吊纜索懸吊橢圓形橋面板，尾部設(shè)置斜拉纜索懸吊直線段橋面板，吊索和斜拉纜索均采用1 670 MPa的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，吊索和斜拉纜索直徑均為0.16 m，吊索間距為6 m，斜拉纜索間距為5 m。

鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋中央拱肋和尾部翹起的斜拉橋塔之間設(shè)置拉索，左右各3根，共計(jì)12根，拱肋拉索采用1 670 MPa的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，拉索直徑為0.16 m，設(shè)置拉索形成斜拉拱橋結(jié)構(gòu)體系，減少支座不平衡內(nèi)力，提高飛燕式斜拉拱結(jié)構(gòu)的剛度。

馬鞍形玻璃頂棚的鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的拱腳支座之間設(shè)置系桿拉索，共計(jì)4根，拱腳拉索采用1 670 MPa的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，拱腳拉索直徑為0.3 m，設(shè)置系桿拉索形成飛燕式拱橋結(jié)構(gòu)，減少支座不平衡內(nèi)力，提高鋼管混凝土斜拉拱橋的承載力。

橋面板由中間橢圓形板和兩端直線形橋面板組成，橋面板采用鋼筋混凝土梁格式加勁梁結(jié)構(gòu)體系，加勁梁高度為1.0 m。MIDAS有限元模型如圖5 所示。

圖5 MIDAS有限元模型

4 豎向荷載作用下的計(jì)算結(jié)果

依據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—95)對主跨橋面做滿荷加載，考慮到橋面鋪裝層和花壇建筑小品等因素，橋面附加恒荷載采用的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10 kN/m2，橋面活荷載采用的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5 kN/m2。豎向荷載作用下位移計(jì)算結(jié)果如圖6所示，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖6 豎向荷載作用下位移計(jì)算結(jié)果(單位：m)

(a) 梁單元應(yīng)力

(b) 索單元應(yīng)力圖7 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位：MPa)

由計(jì)算結(jié)果可知，最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置，最大撓度為10.5 mm，滿足規(guī)范規(guī)定的1/500限值要求。索單元最大內(nèi)力為7 214.0 kN，索單元最大應(yīng)力為583.5 MPa，滿足強(qiáng)度要求。鋼管支架最大內(nèi)力為58 888.6 kN，鋼管支架最大應(yīng)力為82.9 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

5 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

斜拉纜索是該橋的主要承力結(jié)構(gòu)，建模時(shí)以初拉力的形式計(jì)入斜拉纜索和吊索的成橋內(nèi)力。為不遺漏任何振型，分析過程中采用子分塊法求解特征方程，基于MIDAS的非線性靜力分析、應(yīng)力剛化效應(yīng)和模態(tài)分析功能，進(jìn)行自振特性分析。典型模態(tài)如圖8所示。

(a) 1階振型(正對稱豎彎)

(b) 2階振型(反對稱豎彎)

(c) 3階振型(反對稱豎彎)

(d) 4階振型(正對稱側(cè)彎)

(e) 9階振型(支架變形)

(f) 15階振型(橋面扭轉(zhuǎn))圖8 典型模態(tài)

1階振型為正對稱豎彎，頻率為5.284 Hz；15階振型為扭轉(zhuǎn)振型，頻率為21.202 Hz。前10階振型以側(cè)彎和豎彎振動為主，直到15階才出現(xiàn)正對稱扭轉(zhuǎn)振型。扭彎頻率比值為4.01，數(shù)值較高，表明結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性較好。

6 穩(wěn)定性分析

利用MIDAS軟件對該橋進(jìn)行屈曲分析，得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)。一般情況下，穩(wěn)定性系數(shù)最小時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的可能性最大。前10階屈曲模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 前10階屈曲模態(tài)計(jì)算結(jié)果

由表1可知，該橋的穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值為27.307，滿足《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(GB 50923—2013)中該值須大于4.0的規(guī)定。

分析表明首尾相連的異形鋼管飛燕式斜拉拱肋具有較好的整體性，馬鞍形玻璃頂棚也可作為拱肋間的橫向支撐，其作用猶如K形橫向支撐，因此該橋具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

7 結(jié)語

以某80 m景觀河道公園人行橋?yàn)楣こ瘫尘?，進(jìn)行鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋構(gòu)形研究。建立MIDAS有限元模型，進(jìn)行豎向荷載作用下的內(nèi)力分析，并開展動力模態(tài)分析，得到以下結(jié)論。

(1) 斜拉拱肋采用異形空間曲線鋼管構(gòu)架，造型美觀；廊橋頂部為雙曲拋物面(馬鞍面)的透明玻璃頂棚造型，可遮風(fēng)擋雨；橢圓曲線橋面設(shè)置花壇、座椅，實(shí)現(xiàn)可觀、可游的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(2) 異形空間曲線鋼管的空間斜拉拱肋之間設(shè)置空間拉索，拱腳之間設(shè)置系桿拉索，便于將其浮運(yùn)拖拉過河。尾部設(shè)置斜拉纜索，吊索懸掛橢圓形橋面，形成空間纜索體系，中間拱推力和尾部翹起斜拉拱形橋塔的反方推力互相平衡，構(gòu)成自平衡結(jié)構(gòu)體系，消除了支座不平衡內(nèi)力，具有良好的結(jié)構(gòu)受力性能。

(3) 最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置，最大撓度為10.5 mm，滿足規(guī)范規(guī)定的1/500限值要求。索單元最大內(nèi)力為7 214.0 kN，索單元最大應(yīng)力為583.5 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

(4) 前10階振型以側(cè)彎和豎彎振動為主，直到15階才出現(xiàn)正對稱扭轉(zhuǎn)振型。扭彎頻率比值為4.01，數(shù)值較高，表明結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性較好。

(5) 馬鞍形玻璃頂棚也可作為拱肋間的橫向支撐，其作用猶如K形橫向支撐，該橋的穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值為27.307，說明該橋具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。