新型連續(xù)鋼箱梁人行仿古廊橋的設(shè)計(jì)與計(jì)算

摘要：以莆田市綬溪公園狀元橋?yàn)槔鶕?jù)公園景觀規(guī)劃，再深度挖掘莆田市獨(dú)特的狀元文化，將“斗拱”“歇山”等傳統(tǒng)元素融入到橋梁設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出滿足橋梁建筑結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代美學(xué)的人行“仿古廊橋”。通過(guò)比選不同橋梁結(jié)構(gòu)，確定了采用變截面鋼箱梁匹配仿古廊橋?yàn)樽罴言O(shè)計(jì)方案。采用MIDAS/Civil軟件對(duì)狀元橋進(jìn)行建模和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，確定了廊橋方案的技術(shù)可行性，可為同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)施工提供參考。

關(guān)鍵詞：廊橋；變截面鋼箱梁；設(shè)計(jì)計(jì)算；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U442文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A廊橋也稱屋橋、厝橋，主要是在橋面上加蓋長(zhǎng)廊或建屋、亭，既可以保護(hù)橋梁，又美化了橋梁本身，具有極高的歷史價(jià)值、建筑價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值［1］。在古代，通常都是木橋或者石橋結(jié)合木廊而形成的廊橋，其主要特點(diǎn)是跨徑小和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低。隨著混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，現(xiàn)可以采用鋼筋混凝土橋或者鋼結(jié)構(gòu)橋結(jié)合木廊的形式，既滿足橋梁結(jié)構(gòu)承載力要求，又體現(xiàn)了古代建筑文化藝術(shù)［2-5］。本文通過(guò)對(duì)比兩種不同梁橋方案的施工工藝、工期、施工環(huán)境影響、施工難易度、造價(jià)和養(yǎng)護(hù)難易度等，確定了采用變截面鋼箱梁匹配廊橋結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案。采用MIDAS/Civil軟件對(duì)狀元橋進(jìn)行了有限元分析，對(duì)狀元橋的受力、變形、穩(wěn)定性、動(dòng)力以及局部構(gòu)造等方面進(jìn)行分析，為該類(lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)與施工提供了參考和借鑒。

1狀元橋簡(jiǎn)介

莆田市延壽溪綬溪公園狀元橋?yàn)槿诵蟹鹿爬葮?，主橋設(shè)計(jì)跨徑為32 m+60 m+32 m變截面鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋，跨中設(shè)置了4個(gè)TMD阻尼器，優(yōu)化了梁高，降低了工程造價(jià)。在深度挖掘了莆田獨(dú)特的狀元文化后，將“斗拱”“歇山”等傳統(tǒng)元素融入狀元橋的設(shè)計(jì)方案中，將中式的內(nèi)涵通過(guò)新材料和新結(jié)構(gòu)來(lái)呈現(xiàn)，營(yíng)造出一種具有時(shí)代創(chuàng)新性的建筑空間和形式，強(qiáng)化了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的當(dāng)代再現(xiàn)，表達(dá)了傳統(tǒng)文化的深層記憶，目前為莆田市新增網(wǎng)紅打卡點(diǎn)。

狀元橋橫跨延壽溪，左右岸分別為沖洪積及剝蝕殘丘地貌，橋址區(qū)河床寬度約為45 m，高程0.38～3.42 m，設(shè)計(jì)常水位為3.52 m，設(shè)計(jì)洪水位（1%）為6.97 m，場(chǎng)地主要由耕植土、雜填土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖組成。東側(cè)與博物館相接，西側(cè)連接綬溪公園觀景步道。狀元橋的建設(shè)連接公園A區(qū)和D區(qū)，有效連接了博物館廣場(chǎng)和山體休閑景區(qū)，完善了區(qū)域內(nèi)步行交通系統(tǒng)，提高了區(qū)域內(nèi)游人通達(dá)性。

2狀元橋主橋方案對(duì)比

2.1方案1：變截面鋼箱連續(xù)梁

依據(jù)上位規(guī)劃確定的狀元橋橋跨為32 m+60 m+32 m，橋?qū)? m，選用單箱單室的鋼箱梁斷面，跨中梁高為2.0 m，支點(diǎn)梁高為4.2 m，梁高變化曲線采用2次拋物線。

2.2方案2：預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁

狀元橋上部采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，支點(diǎn)梁高5.9 m，跨中梁高2.5 m，梁高變化采用2次拋物線。

2.3方案比選

上述兩種方案各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。由表中可以得出預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁造價(jià)較低、養(yǎng)護(hù)較簡(jiǎn)單，但是施工工期長(zhǎng)，對(duì)周?chē)h(huán)境影響大，且不利于造型設(shè)計(jì)。由于目前國(guó)家在推廣鋼結(jié)構(gòu)，而且其施工工期短、環(huán)保、質(zhì)量好、更有利于該橋梁的造型裝飾，因此選擇方案1，橋梁建成效果如圖1所示。

3狀元橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

狀元橋主橋全長(zhǎng)124 m，跨徑布置為32 m+60 m+32 m，選用單箱單室鋼箱梁斷面，橋型布置如圖2所示，跨中梁高為2.0 m，支點(diǎn)梁高為4.2 m，橋?qū)? m，布置為0.5 m（欄桿）+7 m（人行道）+0.5 m（欄桿），在中跨12 m范圍內(nèi)通過(guò)梁端各加長(zhǎng)2 m懸臂，寬度變?yōu)?2 m。橋梁采用雙向1%橫坡，單向0.5%的縱坡，主梁梁底采用2次拋物線線型。

狀元橋主橋支點(diǎn)和跨中截面如圖3—4所示。箱梁內(nèi)頂板縱肋采用U肋，間距600 mm；懸臂處縱肋采用板肋，間距300 mm。底板、腹板縱肋均為板肋，底板縱肋間距400 mm，底板寬度為5.1 m，腹板在靠近上下底板處各設(shè)置兩道縱肋。頂板、底板厚度均為16 mm，腹板厚度為18 mm。橋廊立柱處設(shè)置了厚度為16 mm的橫隔板，橫向加勁隔板布置于兩道隔板之間，間距約為2.0 m。全橋共設(shè)置兩道中橫梁與端橫梁，主橋設(shè)置了4個(gè)TMD阻尼器。

狀元橋主橋橋墩為混凝土板式墩，2#主墩基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，3#主墩基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，西側(cè)邊跨橋墩為樁柱式鋼管混凝土墩，橋臺(tái)采用樁柱式臺(tái)接擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁采用的結(jié)構(gòu)鋼材料特性如表2—表3所示。

4狀元橋主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1）恒荷載

橫隔板采用節(jié)點(diǎn)荷載8 kN；

主橋二期鋪裝：17.5 kN/m；

橋廊荷載：標(biāo)準(zhǔn)段29 kN/m，加寬段58 kN/m；

欄桿荷載：2.0 kN/m。

2）基礎(chǔ)變位：主橋取10 mm。

3）人群荷載：人群荷載按《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-95）［6］（以下稱“人行橋規(guī)范”）計(jì)算。

4）溫度：整體溫度按升溫25 ℃，降溫25 ℃。溫度梯度按英規(guī)BS5400［7］執(zhí)行。

5）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，設(shè)計(jì)使用年限為100年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，環(huán)境類(lèi)別為I類(lèi)。

4.2有限元模型

上部結(jié)構(gòu)采用空間桿系有限元模型進(jìn)行計(jì)算，模型采用梁?jiǎn)卧?，共劃分?28個(gè)梁?jiǎn)卧?，?jì)算模型如圖5所示。橋梁支座布置如圖6所示，1#、3#、4#墩位設(shè)置一個(gè)單向一個(gè)雙向支座，2#墩位設(shè)置一個(gè)固定支座一個(gè)單向支座。

4.3強(qiáng)度計(jì)算

從圖7～8中可以看出：在基本組合下，第一體系主橋鋼箱梁上緣應(yīng)力范圍為-161.4～49.7 MPa，下緣應(yīng)力范圍為-97.6～186.6 MPa?？紤]結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1后，仍小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求。

4.4剛度計(jì)算

主梁由人群荷載產(chǎn)生的豎向撓度如圖9所示。

根據(jù)人行橋規(guī)范，由人群荷載計(jì)算的最大豎向撓度不應(yīng)超過(guò)L/600。從圖9中可以看出：主梁最大位移18.999 mmlt;60 000/600=100 mm，剛度滿足規(guī)范要求。

4.5穩(wěn)定分析

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］，滿足h/b0≤6，且L1/b0≤65時(shí)，可不計(jì)算梁的整體穩(wěn)定性，h/b0=0.4≤6，且L1/b0=12≤65，因此鋼箱梁的整體穩(wěn)定性滿足要求。

4.6主橋動(dòng)力分析

通過(guò)動(dòng)力計(jì)算得到橋梁自振頻率和振型特性如圖10和表4所示。

5狀元橋主橋局部構(gòu)造計(jì)算

5.1頂?shù)装寮案拱寮觿爬邘缀纬叽?/p>

5.2腹板及腹板加勁肋

5.3支承加勁肋

6結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)狀元橋兩種主橋結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比，綜合考慮景觀因素，最終確定變截面鋼箱連續(xù)梁為仿古廊橋的匹配方案。采用MIDAS/Civil軟件對(duì)狀元橋主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，重點(diǎn)對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)結(jié)構(gòu)頂?shù)装?、腹板、腹板加勁肋、支承加勁肋進(jìn)行驗(yàn)算，以及對(duì)動(dòng)力作用下的橋梁自振頻率和振型特性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果均符合要求，可以為同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算提供借鑒意義。參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：曾晶）

Design and Calculation of a New Type of Continuous Steel Box

Girder Pedestrian Antique Gallery Bridge

CAI Jifeng HU Longjian

（1.Fuzhou Planning and Design Institute Group Co.， LTD.， Fuzhou 350108， China;

2.College of Civil Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China）Abstract： Using Putian city Shouxi Park Scholar’s Bridge as an example， the park landscape planning， and then deep excavation of Putian city’s unique Scholar’s culture， the “arch”， “resting hill”， and other traditional elements into the bridge design scheme， designed to meet the bridge architectural structure and modern aesthetics of the Pedestrian “Antique Corridor Bridge”. When different bridge structures are compared， the variable section steel box girder matched with the antique corridor bridge is the optimum design plan. MIDAS/Civil software is used to perform the modeling and structural calculation study of Scholar’s Bridge in order to determine the technical feasibility of the bridge plan， which can serve as a reference for the design and construction of comparable bridges.

Key words： corridor bridge; variable section steel box girder; design calculation; finite element analysis