異型混凝土人行橋設計與分析

趙怡琳

(廈門中平公路勘察設計院有限公司)

異型混凝土人行橋設計與分析

趙怡琳

(廈門中平公路勘察設計院有限公司)

以福鼎市潮音大橋工程設計為背景，詳細介紹該異型混凝土人行橋的總體設計，并利用梁格法計算結構受力，驗算結構的自振頻率以及地震作用下的受力狀態。計算和分析結果表明，在靜力、動力計算中結構的強度、剛度、應力與自振頻率等均滿足規范要求，結構設計安全、可靠。

異型橋梁;梁格法;設計計算;分析;人行橋

1 工程概況

本橋位于福鼎市，福鼎市位于福建省東北部，與浙江溫州毗鄰，是閩東南通往浙江乃至長江三角洲的“北大門”，三面環山，一面臨海。潮音大橋橫跨桐山溪，連接中央大道與江濱南大道，桐山溪的兩岸分別是山水名都、鉑金華城與濱江時代城、百勝新區板塊，大橋的建立，對于桐山溪兩岸的互補、交流有著至關重要的作用。

全橋為一聯30+3×40+30 m，全長180 m，橋梁兩端接觀景平臺。普通的人行橋多以鋼箱梁、鋼桁架、簡單混凝土橋梁為主，潮音大橋突出景觀效果和觀景功能，本橋上部結構采用“X”型預應力混凝土連續現澆箱梁，分叉處橋面寬度為6 m，橋梁中心處橋寬為10 m，外側平面半徑為200 m，為了減小阻水面，下部橋墩采用圓端形板式墩，橋臺采用樁柱式臺，基礎鉆孔灌柱樁基礎。

2 技術標準

(1)設計基準期:100年;

(2)設計安全等級:二級;

(3)設計荷載:人群荷載:5.0 kN/m2;

(4)設計地震動峰值加速度:0.05 g，抗震設防烈度為6度，按B類設防，設防措施等級為7級;

(5)環境類別:Ⅱ類濱海環境;

(6)防潮標準:1/100。

3 結構布置

主橋上部采用30+3×40+30 m“X”型預應力混凝土現澆連續箱梁，箱梁頂面寬度邊跨處6 m、中跨跨中10 m，懸臂長度1.25 m，橋面頂板橫坡通過腹板高度變化調整，頂板橫坡為雙向1.0%。箱梁邊腹板處梁高為1.6 m不變，其他各處梁高按橫向坡度進行變化，邊跨為單向坡，其他各跨為雙向坡。頂板厚0.25 m，底板厚 0.25 m，腹板厚 0.45 m，支點腹板厚0.6 m。箱梁在墩頂及伸縮縫處設置橫隔梁，端支點處橫隔梁厚 1.0 m，1#、4#墩頂處橫隔梁厚 2.0 m，2#、3#墩頂處橫隔梁厚1.8 m。

4 結構分析

4.1 計算模型的劃分

整體結構分析程序采用MIDAS/Civil的梁格法。梁格法的特點是用等效的梁格來代替橋梁上部結構，縱向梁格代表上部結構的縱向結構，縱向剛度集中在縱向梁格中，橫向梁格代表上部結構的橫向結構，橫向剛度集中在橫向梁格中，縱橫梁格的截面特征根據其所代表的結構和實際受力變形情況進行計算。當結構原形和等效梁格承受相同的荷載時，它們的撓曲變形相等，因此梁格的受力狀態接近于實際結構的受力狀態。對于薄壁封閉箱形結構，采用剪力-柔性梁格法可得出滿意的結果:全橋共分為1 134個單元，867個節點，梁格計算模型如圖1所示。

圖1 潮音大橋梁格計算模型圖

如圖1所示，本文共采用7道縱梁與4道虛擬縱梁(加載欄桿荷載)模擬整個橋梁，潮音橋突出的特點為曲線梁橋，且截面加寬與分叉，平面計算已無法有效的模擬結構，必須采用空間結構算法。施工采用滿堂支架分階段施工，節段劃分詳見圖2。

圖2 施工節段劃分示意圖

4.2 靜力計算結果分析

混凝土橋梁在服役過程當中，恒載(不包括預應力)內力占相當大部分的比例，對于混凝土異型橋梁的恒載內力分配，應給予足夠的重視，本文中工程實例較為復雜，且橋面寬度變化較大，增加了腹板，對于預應力的配置就提出了更嚴格的要求，恒載內力詳見圖3。

由上圖可以看出，0#肋在腹板增加的區域內力變化較大，1#肋內力變化與一般連續梁內力變化類似，因此主要的配筋難點應為0#肋以及2#肋，經過設計可以得到，在0#肋在腹板增加的區域，鋼束二次力反向較大，對于抵消恒載內力非常有效，另外，活載內力分布與恒載內力分布非常相似。

圖4可以看出，活載位移曲線變化連續，且最大值出現在次邊跨，最大的撓度值為14.3 mm，城市人行天橋規范中規定梁板式主跨跨中撓度允許值為計算跨徑的1/600，大約為67 mm，撓度值遠遠小于規范允許值，說明本文中橋梁的剛度足夠大，且較為保守。

圖3 恒載作用下各縱梁內力圖(單位:KN·m)

圖4 活載作用下各縱梁位移圖(單位:mm)

表1 主梁應力驗算結果表(單位:MPa)

由表1可以看出，1#肋上緣在短期效應組合下最大拉應力較大，富余量較小，主要發生在墩頂位置，下緣應力在長期效應和短期效應組合下均大于0，滿足規范要求，且富余量較大;壓應力上緣較大，富余量較小，下緣儲備較大;從拉應力和壓應力的分布和大小判斷，由于橋面變寬和分叉，預應力配置時交叉較大，且預應力線形受很大控制，預應力二次力造成應力不平整，總體看來，預應力的配置雖然滿足了規范的要求，但是拉應力和壓應力的儲備都較小，存在優化的余地。

4.3 動力計算結果分析

(1)自振頻率。將結構自重和二期恒載轉換成質量，驗算結構基頻及周期，得出箱梁第一階豎向振動f=4.49 Hz，T=0.22 s，滿足《人行天橋規范》中第一階豎向振動頻率不能小于3 Hz的要求。

(2)地震計算。福鼎市地處東南沿海地震帶，是地震活動較為強烈的地區，還會受到臺灣這一環太平洋地震帶的影響，歷史上曾經發生過多次破壞性地震，現為國家地震重點監視防御區之一，根據抗震規范福鼎市處于6度設防，根據橋梁類型、場地、分區特征周期，圖5為E1設計反應譜。

圖5 E1設計反應譜

輸入程序，并模擬了樁土共同作用，得到0#肋內力圖，如圖6。

圖6 E1地震作用下0#肋X/Y彎矩圖(單位:KN·m)

可以看出，地震對上部結構影響很小，縱向地震對墩底產生最大彎矩375 kN·m，橫向地震對墩底產生最大彎矩608 kN·m;經組合計算橋墩的強度和裂縫均滿足規范要求。

5 結論

(1)異形X箱梁，活載與恒載內力分布相近。

(2)混凝土人行天橋結構的整體剛度較大，撓度及結構基頻不是控制設計的關鍵因素。

(3)異形橋梁受預應力配置及約束布置的影響較大，設計中應按多種配束及支座布置方案計算，進行優化設計。

(4)地震對于X結構產生的效應較小，不是控制設計的主要因素。

［1］ E.C.漢勃利.橋梁上部構造性能［M］.郭文輝譯.北京:人民交通出版社，1982.

［2］ 孫廣華，李方.如何用梁格法計算曲線梁橋［J］.橋梁，2006，(5).

［3］姚宇，嚴青苗.異型箱梁的設計要點初探［J］.江蘇交通工程，2001，(5):23-27.

［4］丁雪松，劉旭鍇.預應力曲線箱梁和異形箱梁的研究［J］.城市道橋與防洪，2001，(1):29-35.

［5］陳翰新.異型箱梁橋力學行為研究［D］.重慶:重慶交通學院，2005.

［6］吳寧.城市立交橋曲線異型箱梁的空間分析［D］.武漢:華中科技大學，2003.

［7］戴公連，李建連.橋梁結構空間分析設計方法與應用［M］.北京:人民交通出版社，2001.

U442

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1008-3383(2013)03-0109-02

2012-12-28

趙怡琳(1979-)，男，福建霞浦人，工程師，研究方向:橋梁工程。