某景觀人行橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

陳何峰

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

1 設(shè)計(jì)概要

隨著城市的發(fā)展，大跨度的人行橋日益增多。某橋是一座公園的景觀步行橋，它連接湖心島和公園內(nèi)兩側(cè)商業(yè)區(qū)，是游人往返湖心島的重要途徑，同時(shí)也作為重要的景觀建筑點(diǎn)綴著整個(gè)公園。經(jīng)過(guò)多方案的比選，雙塔斜拉橋成為最終方案，其效果圖如圖1所示。

圖1 步行橋效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人行橋橋位于公園中心島內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)采用三跨雙索面異形斜拉-剛構(gòu)體系，跨徑組合為72.3 m+32.4 m+72.3 m=177 m。中間墩位于人工島上，墩和主梁固結(jié)。墩處橫梁往中跨偏移1.3 m后橋面板中間部分開(kāi)孔，以供樓梯設(shè)置，樓梯寬度3 m。主梁采用變寬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，寬度由邊墩處5 m變化中墩處9.8 m。最大縱坡為5.75%，橋面雙向橫坡為1%。結(jié)構(gòu)橫向和縱向均呈波浪形，全橋呈反對(duì)稱(chēng)（見(jiàn)圖2）。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為了實(shí)現(xiàn)人行橋的主梁板式的整體建筑造型，主梁采用了雙排工字鋼與混凝土橋面板組合的結(jié)構(gòu)形式，工字鋼與混凝土橋面板通過(guò)剪力釘形成可靠相連，工字鋼高0.8 m，橋面板厚度從0.25 m變化到中間墩處的0.3 m（見(jiàn)圖3）。組合結(jié)構(gòu)形式有效地減少主梁高度，不但體現(xiàn)了建筑造型，而且還節(jié)省了造價(jià)。根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，在邊跨端部20 m及跨中4 m的正彎矩處，橋面板采用普通鋼筋混凝土的形式并采用普通的剪力釘。對(duì)于橋面板負(fù)彎矩處較大的地方，采用預(yù)應(yīng)力混凝土，后結(jié)合的剪力釘群。

工字鋼上翼緣寬度0.5～0.8 m，從20 mm×500 mm漸變到40 mm×800 mm；下翼緣寬度0.7～1.0 m，從30 mm×800 mm、漸變到70 mm×1000 mm；腹板分兩個(gè)尺寸，分別是16 mm和25 mm。最大上下翼緣寬度為中墩附近。組合梁橋面板寬度為5.84～10.6 m。

橫梁間距分為8 m、8.288 m、9.5 m和3.358 m四種，梁上索間距為8 m和8.288 m。拉索通過(guò)錨管固定在橫梁處邊縱梁上。主梁外包不銹鋼裝飾板，索梁錨點(diǎn)亦包在其中。

橋塔為鋼管結(jié)構(gòu)，直徑1.2 m，壁厚40 mm，塔長(zhǎng)40.68 m，垂直高度37.675 m，垂直傾角25.64°，塔梁分離，在承臺(tái)處用螺栓錨固，塔根部外側(cè)包裹混凝土。橋塔內(nèi)設(shè)加勁，外側(cè)焊接耳板，拉索錨固在耳板上。每個(gè)橋塔設(shè)11對(duì)拉索，塔上索間距1.14 m～2.34 m不等。橋塔在工廠制造后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)安裝。

斜拉索采用鍍鋅平行鋼絲索，長(zhǎng)度從21 m～105 m不等。每根拉索由聚乙烯管外包，拉索與外包管之間填充抗腐蝕化合物，拉索表面需有螺旋線刻紋以避免風(fēng)雨振。

為解決中間墩的負(fù)反力問(wèn)題，中間墩采用鋼結(jié)構(gòu)，墩梁固結(jié)，墩高5.263 m，為箱形結(jié)構(gòu)。承臺(tái)采用12 m×3 m×3 m，基礎(chǔ)采用三根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)42 m，橋墩與基礎(chǔ)間橫向設(shè)置1 m預(yù)偏心，以抵抗上部結(jié)構(gòu)傳遞至基礎(chǔ)的橫向彎矩；橋塔處采用直徑為11.4 m的圓形承臺(tái)，厚3 m，基礎(chǔ)采用采用六根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁。

3 施工方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及工程特點(diǎn)，具體施工方案階段如下：

（1）換填基礎(chǔ)處浮土，施工橋臺(tái)、橋墩和臨時(shí)墩的樁基礎(chǔ)；

圖2 步行橋整體布置圖（單位：m）

圖3 步行橋橫斷面圖（單位：m）

（2）工廠加工鋼塔、鋼墩、鋼梁等，搭設(shè)施工支架；

（3）運(yùn)送鋼梁節(jié)段就位，在支架上焊接拼裝鋼梁節(jié)段；

（4）澆筑混凝土橋面板并張拉預(yù)應(yīng)力；

（5）吊裝施工橋塔，并用拉索臨時(shí)固定；

（6）灌注橋塔底部混凝土；

（7）澆筑剪力釘群砂漿，使橋面板和鋼主梁連接形成組合結(jié)構(gòu)；

（8）填充主梁壓重，從近塔至遠(yuǎn)塔逐對(duì)張拉斜拉索；

（9）拆除剩余臨時(shí)墩；施工橋面系及附屬設(shè)施。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

4.1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）專(zhuān)用景觀人行橋，設(shè)計(jì)荷載：人群荷載按《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）取用，為 3.6 kN/m2；

（2）人行寬度：凈寬5 m～9.76 m；

（3）防洪標(biāo)準(zhǔn)：百年一遇頻率水位：2.7 m；常水位1.8 m；

（4）通航標(biāo)準(zhǔn)：橋下凈空要求2.5 m；

（5）抗震設(shè)防烈度為6度，基本加速度為0.05 g，Ⅲ類(lèi)建設(shè)場(chǎng)地，特征周期0.4 s，地基土無(wú)液化。

4.1.2 設(shè)計(jì)荷載

欄桿：每側(cè)0.5 kN/m；

壓重鐵礦砂：35 kN/m；

整體升、降溫：28℃、-27℃；

索和塔正、負(fù)溫差：15℃、-15℃；

梁梯度升溫：以混凝土面板整體升溫15℃模擬；

梁梯度降溫：以混凝土面板整體降溫15℃模擬；支座不均勻沉降：10 mm；

人行道板（局部構(gòu)件）的人群荷載按5 kPa的均布荷載或1.5 kN的集中力設(shè)計(jì)；

風(fēng)荷載：百年一遇基本風(fēng)速按28.6 m/s取值，風(fēng)荷載考慮橫向、縱向和上升風(fēng)作用，其中：橋塔縱向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按照橫向風(fēng)壓乘以迎風(fēng)面積計(jì)算，主梁縱向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按0.5倍的橫向風(fēng)壓乘迎風(fēng)面積計(jì)算，在拉索上的風(fēng)荷載作用力以節(jié)點(diǎn)荷載的形式表述。

4.2 整體靜力計(jì)算

4.2.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用軟件midas7.9.5，梁?jiǎn)卧M工字鋼主梁、混凝土橋面板及橋塔，桁架單元模擬拉索，混凝土板與鋼主梁采用剛臂連接，忽略剪力釘?shù)膭偠扔绊懀ㄒ?jiàn)圖4與表1）。計(jì)算模擬了少支墩施工工序，支架跨徑為（16+2×20+4×16+2×20+16）m，采用只受壓彈性支撐模擬臨時(shí)支架。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算分析，梁塔關(guān)鍵截面在成橋初期及運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力狀態(tài)如表2所列。

圖4 計(jì)算模型

表1 斜拉索初張力一覽表

表2 各階段各部位應(yīng)力值一覽表（單位：MPa）

各種工況下，鋼結(jié)構(gòu)正應(yīng)力都未超過(guò)規(guī)范允許值，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

橋面板負(fù)彎矩處的橋面板預(yù)加應(yīng)力，支點(diǎn)處張拉3Φs15.24的預(yù)應(yīng)力索間距320 mm，采用預(yù)應(yīng)力B類(lèi)構(gòu)件計(jì)算，裂縫寬度為0.08 mm，小于規(guī)范允許值。

4.3 主塔穩(wěn)定計(jì)算

橋塔為雙向壓彎構(gòu)件，長(zhǎng)細(xì)比大，受力復(fù)雜，需要進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。一階失穩(wěn)為面外失穩(wěn)，恒載下軸力為6387 kN，臨界荷載系數(shù)為12.26，計(jì)算得到面外有效計(jì)算長(zhǎng)度Lcy=25.2 m，面內(nèi)失穩(wěn)為四階，恒載下軸力為6387 kN，臨界荷載系數(shù)為18.67，計(jì)算得到面內(nèi)有效計(jì)算長(zhǎng)度Lcy=20.5 m。經(jīng)過(guò)計(jì)算壓桿穩(wěn)定面外和面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)分別為0.95和0.92，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 基于行人舒適性振動(dòng)分析

5.1 動(dòng)力特性分析

通過(guò)對(duì)該橋的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，該橋的基頻為0.569 Hz，對(duì)應(yīng)振型為主梁豎向一階彎曲。借鑒國(guó)外的規(guī)范，通過(guò)人行荷載所引起的橋梁振動(dòng)加速度來(lái)驗(yàn)算該橋的動(dòng)力特性（見(jiàn)圖5）。

圖5 第一階振型圖（0.569 Hz，主梁豎向一階反對(duì)稱(chēng)彎曲）

5.2 人行激勵(lì)分析理論

人行激勵(lì)振動(dòng)的特性取決于人行荷載的特殊性。人的行走由連續(xù)的步子形成，具有周期性。這種周期性激勵(lì)在豎向和側(cè)向都可以用傅立葉級(jí)數(shù)的形式表示，級(jí)數(shù)中高階頻率是基頻的整數(shù)倍，但基頻的大小在豎向和側(cè)向不同。單人在橋上行走時(shí)，基于步行力的周期性，豎向力和側(cè)向力都可以用傅立葉級(jí)數(shù)的形式表示。

激勵(lì)頻率分別取值為可能引起主梁豎向和側(cè)向某階振動(dòng)共振的頻率，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表3和表4所列。

表3 側(cè)向荷載作用下人行橋的動(dòng)力響應(yīng)一覽表

表4 豎向荷載作用下人行橋的動(dòng)力響應(yīng)一覽表

采用人群舒適度指標(biāo)，來(lái)驗(yàn)算動(dòng)力特性。舒適度指標(biāo)是未引起行人感覺(jué)不適的加速度允許值。豎向加速度的允許值可表示如下0.377（m/s2）。側(cè)向加速度的允許值也相對(duì)更為嚴(yán)格，允許值表示如下

計(jì)算的結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)的人群荷載作用下，行人的步行完全隨機(jī)，沒(méi)有受外界影響發(fā)生同步效應(yīng)，該人行橋的人致振動(dòng)滿(mǎn)足舒適性要求。同時(shí)考慮人群同步調(diào)概率與振幅關(guān)系，同樣發(fā)現(xiàn)在以上三種側(cè)向激勵(lì)荷載作用下，同步調(diào)概率衰減很快到1%以下，小于完全隨機(jī)狀態(tài)下的同步調(diào)人數(shù)百分比。這說(shuō)明該橋不會(huì)發(fā)生人群同步調(diào)步行。因此，即使考慮人群同步效應(yīng)，該橋在豎向和橫向的加速度峰值也均滿(mǎn)足舒適性要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一座主跨72 m人行斜拉橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及靜力動(dòng)力計(jì)算。在設(shè)計(jì)中合理選擇截面形式，通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力分析、塔的穩(wěn)定分析表明結(jié)構(gòu)在各個(gè)施工階段和運(yùn)營(yíng)階段下，該橋各個(gè)部位的應(yīng)力滿(mǎn)足要求相應(yīng)的規(guī)范要求。同時(shí)考慮在結(jié)構(gòu)頻率較低的情況，采用人致振動(dòng)舒適性分析，表明該橋能較好地回避豎向和橫梁的共振問(wèn)題，可為類(lèi)似大跨度的人行橋提供一定的借鑒及參考。

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