城市天橋中尼爾森體系下承式拱橋的應(yīng)用研究

潘 聰

(長沙市規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，城市人行天橋除滿足基本通行功能外，還需滿足人們對地標(biāo)性建筑美學(xué)的需要。尼爾森體系拱橋由于構(gòu)造優(yōu)美，受力明確，逐漸成為城市人行天橋方案的首選。張玉萍，吳游宇等分析了某尼爾森體系拱橋的動力特性，得出了結(jié)構(gòu)抗扭剛度大，容易滿足剛度要求等相關(guān)結(jié)論；趙佳男，張其林等依托Boulevard橋，基于Midas civil軟件計算了橋梁承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下的動力特性，總結(jié)了尼爾森體系拱橋的受力特點；常柱剛采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法對尼爾森體系提籃拱橋進行分析研究，并與洛澤拱橋進行自振特性對比分析，得出尼爾森體系拱橋基頻較大，斜吊桿式拱橋比豎直吊桿式拱橋整體剛度大的特點。本文以一座尼爾森體系下承式人行景觀橋梁為例，闡述人行景觀橋梁的設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，基于全過程分析方法，論證了尼爾森體系拱橋方案的優(yōu)越性，并對尼爾森體系拱橋進行靜力、動力分析，以期為其余類似情況下的橋梁設(shè)計提供參考。

1 工程概況

本次建設(shè)的望城區(qū)人行天橋(金星北路)項目位于金星路與銀星路交叉口以北約60 m處。天橋橫跨金星路，聯(lián)通了東側(cè)的翡翠花園、師大附中星城實驗中學(xué)與西側(cè)的商業(yè)地塊，使之形成了一個完整的步行體系，方便了行人，激活了風(fēng)光帶和商業(yè)地塊的活力。

現(xiàn)狀金星路為已建城市主干道，金星北路為望城區(qū)主要交通干線，交通流量大。擬建天橋位置金星北路道路寬度為46 m=2 m(人行道)+5.6 m(輔道)+17.3 m(機動車道)+10.6 m(機動車道)+3 m(側(cè)分帶)+5.4 m(混合車道)+2.1 m(人行道)。同時兩側(cè)商業(yè)地塊均已開發(fā)完畢，本路段車流及人流量都較大。亟需新建一座過街天橋保障慢行交通安全。

2 橋梁方案設(shè)計

2.1 設(shè)計構(gòu)思

根據(jù)金星北路的特點，在金星北路上的橋梁必須具備以下三個條件。

(1)跨度大，由于處于交叉口拓寬段位置，因此不能在金星北路道路路幅范圍內(nèi)設(shè)施橋墩。這樣既能減少橋梁施工過程中對金星路通行造成的影響，也能避免后期天橋與金星路交通間的相互影響。

(2)使用便捷。道路上車流24 h一直不間斷，只有使用方便的人行天橋才能讓市民方便使用，真正達到以人為本的目的。

(3)造型美觀。道路上車流量大，每天經(jīng)過的人數(shù)多，在這個位置設(shè)置造型美觀的橋梁將會有助于提高整體市容市貌。

(4)本位置人行道位置較窄，為考慮非機動車過街需求，同時減少占地，在橋梁兩側(cè)設(shè)置無障礙升降梯解決無障礙過街要求。

2.2 橋梁方案

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，橋梁方案需一跨跨過金星路，跨度較大，同時為盡量減少對周邊用地影響，本次設(shè)計方案主要考慮采用鋼結(jié)構(gòu)橋梁，主要為拱橋和梁橋的橋型，斜拉橋和懸索橋由于需要較大占地，本次設(shè)計方案未考慮。

(1)方案一

本方案采用尼爾森體系下承式提籃拱橋，該類型拱橋結(jié)構(gòu)輕盈，造型優(yōu)美，跨越能力較大，美化城市環(huán)境。橋梁全長約57 m，跨徑約為51 m，橋梁平面采用工字型布置。橋梁東西兩側(cè)設(shè)置無障礙電梯。

(2)方案二

本方案采用簡支鋼箱梁橋方案，橋梁全長約57 m，跨徑約為51 m，橋梁設(shè)置雙向坡，中間高兩端低，縱坡為1%。雨棚采用圓弧形造型設(shè)計，兩側(cè)設(shè)置無障礙電梯。

(3)方案三

本方案采用簡支鋼桁架橋方案，橋梁全長約50 m，跨徑約為44 m。橋梁設(shè)置雙向坡，中間高兩端低，縱坡為1%。兩側(cè)設(shè)置無障礙電梯。

(4)方案必選

綜合從景觀造型、施工難度、工程造價、對交通影響等方面進行對比，方案一尼爾森體系下承式提籃拱橋結(jié)構(gòu)輕盈，磅礴大氣同時結(jié)構(gòu)用鋼量較小，受力性能較好。因此本次設(shè)計方案選用了尼爾森體系提籃拱橋。

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 橋型及跨徑布置

金星北路環(huán)在該交叉口位置車行道寬度(包括主線、輔道及主輔分隔帶)為46 m，為避免天橋在施工及營運過程中對道路造成影響，本橋一跨跨越金星北路。同時在道路兩側(cè)避開已建路燈、電桿及管線。

橋梁全長57.0 m，跨徑為51.0 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用尼爾森體系提籃式系桿拱橋，矢跨比為1∶6。橋梁設(shè)置雙向1%縱坡，保證金星北路機動車道通行凈空不小于5 m。

3.2 斷面布置

橋梁斷面布置需滿足行人通行需求，通過交通分析及預(yù)測，確定主橋總寬為5.5 m，通行凈寬為4.5 m。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋梁上部結(jié)構(gòu)拱肋采用500×540箱形截面，主梁采用500×540箱形截面，系梁采用工字鋼。拉索間距為2 m，傾斜角度為65.2°，拉索采用GJ15-3鋼鉸線整束擠壓成品索。

橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土獨柱墩，直徑800 mm。上部設(shè)置鋼蓋梁。每片蓋梁設(shè)置六個支座，分別連接主梁及兩側(cè)梯道。

兩側(cè)樓梯下設(shè)直徑500 mm橋墩，底部采用擴大基礎(chǔ)。

3.4 附屬構(gòu)造

橋面防水：在主梁頂面與橋面鋪裝層之間采用涂刷兩遍HUT-1防水涂料，涂層厚共1.5～2.0 mm。

欄桿：采用鋼化玻璃欄桿。

伸縮縫:設(shè)置在梯道梁與主梁相接位置，均采用不銹鋼板內(nèi)填充瀝青砂作為伸縮裝置。

支座：采用板式橡膠支座，支座墊石采用鋼板。支座四周焊四條直徑12的短鋼筋作為支座限位措施。

橋面鋪裝：主橋橋面采用5 cm厚混凝土+2 cm砂漿+3 cm麻石板貼面，梯道及坡道采用2 cm環(huán)氧砂漿+麻石板貼面。為增加粘接性能，鋼板表面需進行除銹、拋光、拉毛處理。

交通標(biāo)志：橋上懸掛限高標(biāo)牌(4.5 m)，橋墩離車道較近時墩身在地面以上1.5 m涂防撞標(biāo)識。

4 橋梁結(jié)構(gòu)分析

4.1 模型構(gòu)建

下承式系桿拱橋體系受力復(fù)雜，用一般的平面桿系分析方法進行計算，不能全面反映結(jié)構(gòu)的受力特性及傳力途徑，故本橋利用通用有限元軟件MIDAS Civil建立三維空間有限元模型進行計算分析。

采用有限元軟件MIDAS Civil建立全橋三維空間有限元桿系模型，有限元模型如圖1所示，全橋模型共有節(jié)點430個、梁單元469個以及桁架單元44個。

圖1 全橋整體有限元模型圖

4.2 計算荷載

(1)恒載

結(jié)構(gòu)自重(系數(shù):1.2)；橋面鋪裝層；欄桿；頂棚玻璃；斜拉索初拉力。

(2)移動荷載

依據(jù)《城市人行天橋與地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-95)3.1.3.2中規(guī)定考慮5.0 KPa人群荷載滿布。

(3)溫度荷載

根據(jù)規(guī)范《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中關(guān)于整體升降溫的規(guī)定，長沙市屬溫?zé)岬貐^(qū)，考慮整體升溫30 ℃，整體降溫30 ℃；并同時考慮拱圈與主梁之間的溫差±20 ℃。

(4)風(fēng)荷載

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)中關(guān)于橋梁風(fēng)荷載的規(guī)定，采用100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)速計算得，基本風(fēng)壓為0.4 KPa。

(5)雪荷載

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)中關(guān)于雪荷載的規(guī)定，采用100年重現(xiàn)期的基本雪壓為0.5 KPa。

(6)基礎(chǔ)沉降：各墩沉降按-5 mm考慮，并以最不利情況組合。

(2)荷載組合

依據(jù)規(guī)范《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64-2015)規(guī)定，橋梁構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)驗算強度和穩(wěn)定性，作用組合效應(yīng)設(shè)計值按現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定的基本組合進行計算。

4.3 計算結(jié)果

(1)梁截面應(yīng)力計算

橋面系構(gòu)件截面最大正應(yīng)力值為95.7 MPa，最大剪應(yīng)力值為8.6 MPa；拱肋構(gòu)件截面最大正應(yīng)力值為63.4 MPa，最大剪應(yīng)力值為4.5 MPa；均小于材料Q345C鋼材設(shè)計強度值，即全橋鋼結(jié)構(gòu)強度驗算滿足規(guī)范要求。

斜拉索最大拉應(yīng)力值為254.7 MPa，小于材料1570鋼絞線強度設(shè)計值，即全橋斜拉索強度驗算滿足規(guī)范要求。

(2)位移及預(yù)拱度計算

橋面系結(jié)構(gòu)豎向位移計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 全橋恒載豎向位移圖

恒載作用下橋面系結(jié)構(gòu)豎向Dz位移圖(Max=-9.9 mm)

圖3 全橋活載豎向位移圖

人群荷載作用下橋面系結(jié)構(gòu)豎向Dz位移圖(Max=-8.7 mm)

人群荷載作用下，橋跨最大豎向撓度值為8.7 mm，出現(xiàn)在跨中，撓度值小于規(guī)范中規(guī)定限值L/500=50 000/500=100 mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求。

橋面系預(yù)拱度：取恒載效應(yīng)值加1/2人群活載效應(yīng)值之和。

(3)支反力計算

圖4 標(biāo)準(zhǔn)組合下支反力示意圖

標(biāo)準(zhǔn)組合(包絡(luò))作用支座最大豎向反力值Fz(Max=952.7 KN)

圖5 考慮風(fēng)荷載組合下支反力示意圖

(恒載+1.4×橫向風(fēng)荷載)作用支座最小豎向反力值Fz(Min=554.4 KN)

橋梁結(jié)構(gòu)在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合(包絡(luò))作用下，支座最大豎向反力值Fz=952.7 KN；在恒載+1.4×橫向風(fēng)荷載作用下，支座最小豎向反力值Fz=554.4 KN大于0，即結(jié)構(gòu)橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

(4)穩(wěn)定性分析計算

計算橋跨結(jié)構(gòu)在恒載+活載作用下的臨界荷載系數(shù)值，前10階臨界荷載系數(shù)值及前3階屈曲模態(tài)如表1所示。

由計算結(jié)果可知，最小臨界荷載系數(shù)為9.9，滿足規(guī)范要求。

表1 橋跨結(jié)構(gòu)前10階穩(wěn)定系數(shù)值

(5)動力特性分析計算

采用“多重Ritz向量法”計算橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，前10階自振特性計算結(jié)果如表2所示：

表2 橋跨結(jié)構(gòu)自振頻率

由計算結(jié)果可知，該橋梁結(jié)構(gòu)基頻為1.3 Hz，一階豎向振動頻率 (TRAN-Z， ROTN-Y)出現(xiàn)在第4階，即4.12 Hz，滿足規(guī)范要求豎向自振頻率不小于3 Hz。

5 結(jié) 論

(1)隨著群眾對景觀需求的提高，城市人行天橋逐漸向造型獨特的結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。尼爾森體系拱橋以其輕盈、跨越能力大、造型優(yōu)美、施工方便等特點適用于城市主干道人行天橋。

(2)尼爾森體系橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)選用適用的結(jié)構(gòu)體系及布置形式，充分利用結(jié)構(gòu)特點，發(fā)揮材料性能。

(3)尼爾森體系拱橋結(jié)構(gòu)計算時需考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，計算模型應(yīng)建立空間有限元模型。并根據(jù)規(guī)范要求，進行各項驗算。驗算結(jié)構(gòu)表明，本體系橋梁結(jié)構(gòu)剛度大，受力性能良好，整體經(jīng)濟性良好，景觀造型優(yōu)美。