豐城市紫云大橋人非系統設計與研究

嚴 瀟

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

國內雙層橋梁早期主要用于鐵路或公鐵兩用橋梁同線過江的情況。近年來，國內一些市內跨江橋梁（如揚州萬福大橋、寧波春曉大橋等）開始采用主梁下掛人非系統的形式來同時滿足行人和行車的雙重需求。對這類橋梁而言，人非系統除了需要滿足結構受力外，還應當對結構舒適度進行評估。本文以豐城市紫云大橋工程為背景，簡述下掛人非系統的設計與研究成果，可以為類似工程提供借鑒。

1 應用工程背景

豐城市紫云大橋是跨越贛江的一座大型橋梁，包含跨江主橋、水中引橋和南北岸陸上引橋等。跨江段橋梁均采用組合梁，總長約2.3 km。其中，跨贛江主橋橋型方案采用自錨式懸索橋，總長460 m，跨徑布置為（60+80+180+80+60）m=460 m。根據項目總體設計方案，跨江段橋梁需滿足人非系統過江的需求。人非系統的布置遵循以下原則[1]：

（1）根據初設批復，跨江段橋梁的橫斷面寬度31 m，施工圖階段可以優化橫斷面布置，但不宜突破31 m 的寬度。

（2）行車道和人非道的尺寸需滿足交通功能，且與兩岸接線道路能夠銜接。

（3）人非系統的平、縱布置能滿足規范要求，保證人非交通的安全、舒適。

（4）人非系統能成為富有特色的景觀空間。

根據以上原則，跨江段橋梁采用雙層橋梁，上層布置雙向六車道，下層布置人非通道。人非系統橋面系通過豎桿下掛在上部結構橫梁上。跨江段主橋標準橫斷面布置見圖1。

圖1 主橋標準橫斷面（單位：mm）

2 設計難點與對策

對于采用主梁下掛人非系統的橋梁而言，人非系統不是完全獨立的體系，其與上層主梁連接，必須考慮橋梁總體受力產生的影響。為了降低下掛人非系統參與橋梁總體受力的程度，需要適當降低人非系統的整體性和剛度。

下掛的人非系統屬于輕柔結構，結構的自振頻率低，在行人等外界荷載的作用下容易引起大幅度的振動，會給行人帶來不適感[2]。為保證人非系統結構舒適度滿足要求，需要提高其與上層主梁的整體性和剛度。

為確保同時滿足人非系統結構的受力與舒適度需求，采用有限元軟件進行計算分析。首先通過合理的構造和施工措施來滿足結構的受力需求[3]，然后對結構的人致振動和行人的舒適度進行評估。

3 人非系統結構設計

以跨江主橋為例，簡述人非系統結構設計。人非系統采用鋼結構，由下層橋面系、豎桿和上層小縱梁組成。橋面系標準節段高度0.5 m，采用12 mm 鋼橋面板，兩側設置兩個工字型縱梁，中心距10.4 m，沿縱梁每隔4.5 m 設置一道橫梁。人非系統橋面系通過豎桿與上層主梁橫梁連接。豎桿采用工字型桿件，橫橋向與橋面系縱梁位置對應，中心距10.4 m，順橋向間距9 m，豎桿兩端均通過節點板與上、下層結構栓接連接，按固結構造處理。為抵抗人非系統給主梁橫梁帶來的面外受力，在主梁橫梁之間設置小縱梁。小縱梁采用工字型桿件，橫橋向與豎桿位置對應，中心距10.4 m。

由于人非系統結構受力需要考慮橋梁總體受力產生的影響，因此采用有限元軟件建立全橋的空間桿系模型，見圖2。纜吊系統采用受拉單元模擬，塔墩梁和人非系統均采用梁單元模擬，按實際施工過程進行計算，形成成橋內力，在此基礎上進行人非系統結構的受力分析。

圖2 主橋有限元計算模型

人非系統按3 種方式建模，通過對比結構斷縫、人非系統豎桿的錨固連接方式來確定合理的結構構造和施工措施，詳見表1。

表1 人非系統建模方法對比

其中，對于模型三的人非系統非斷縫處豎桿，與下層橋面系連接方式考慮施工步驟，人非系統安裝時按順橋向鉸接模擬，在上層主橋吊索張拉完成后再按固結模擬。3 個模型的計算結果對比詳見表2。

表2 人非系統計算結果對比 單位：MP a

通過模型一計算結果可知，由于人非系統與主梁連接形成桁架結構，導致其過度參與整體受力，恒載、上層活載引起的結構應力均過大。同時，由于未設置結構斷縫，主梁在溫度荷載作用下的變形會帶動人非系統構件產生較大的應力，造成計算模型一的基本組合下結構應力遠超過鋼結構強度設計值。

為降低結構應力，考慮采用一些必要的構造措施。首先，設置足夠多的結構縫以保證上、下層無法形成桁架結構參與總體受力。其次，弱化節段端部豎桿的連接剛度，形成鉸接，以此減小溫度變形的影響。

通過模型二計算結果可知，采取構造措施后，人非系統的桿件應力明顯降低。但因為節段中間豎桿的連接方式為固結，導致施工過程中累計的恒載應力依舊偏大，基本組合下結構應力仍高于鋼結構強度設計值。為減少施工階段累計的恒載應力，采用優化豎桿施工過程連接方式的措施，豎桿與人非系統橋面系連接時按鉸接處理，待上層主橋吊索張拉完成后再形成固結。

通過模型三計算結果可知，補充施工措施后，施工過程中累計的恒載應力明顯減小，基本組合應力可以滿足結構強度要求。根據以上計算分析結果，人非系統具體構造和施工措施如下：

（1）橋面系順橋向每間隔3～5 根豎桿設置斷縫，將人非系統分割成27～44 m 長的節段，斷縫位置設置伸縮縫。

（2）節段端部豎桿的連接方式由節點板栓接改為叉耳型連接，按鉸接構造處理。

（3）優化節段中間豎桿的施工過程連接方式，節點板螺栓分批安裝擰緊，豎桿與人非系統橋面系連接時安裝第1 批螺栓但不擰緊，使豎桿下端形成順橋向鉸接。在上層主橋吊索張拉完成后再擰緊第1批螺栓，同時安裝擰緊其余螺栓，形成固結構造。

4 人非系統結構舒適度分析

本橋下層人非系統屬于輕柔結構，對人非橋梁振動舒適度的分析應成為設計的重點。對于主梁下掛的人非系統結構而言，人致振動引起的振動是行人舒適性問題的主要來源。我國現有人行橋規范僅針對豎向振動規定豎向自振頻率不小于3 Hz，針對人非橋梁結構的舒適度分析缺少規范依據。本次設計參考德國《人行橋設計指南》[4]（以下簡稱“《德國指南》”），采用峰值加速度限值方法來評估人非系統在行人荷載作用下的結構舒適度[5]。這種方法的原理是在人非系統結構發生人致振動時，利用其所產生的最大加速度評估人非系統的振動響應，檢驗在行人荷載作用下的人非系統結構舒適度。

根據施工圖實際的人非系統標準節段尺寸，采用有限元軟件建立局部模型，見圖3。

圖3 主橋人非系統標準節段有限元模型

通過對模型進行特征值分析，得出結構的第1階振動模態為側向振動，頻率3.67 Hz。豎向振動發生在第9 階模態，頻率6.63 Hz。參考《德國指南》對人非系統結構的振動舒適度進行評估。

《德國指南》中列出了一些重要的設計工況，每個設計工況有一個對應的交通等級和舒適度等級，詳見表3、表4。

表3 《德國指南》重要的設計工況說明

表4 《德國指南》中行人舒適度定義 單位：m/s 2

本次設計中采用最高交通等級TC4，確定最大人群密度d=1.0 P/m2。

在《德國指南》的設計流程中，所有交通等級的荷載都采用均勻分布的諧波荷載模型，諧波荷載

式中：P×cos（2πfst）是單個行人的諧波荷載。P 是單個行人的荷載幅值，豎向P=280 N，側向P=35 N。fs為步頻，對于豎向和側向需分別考慮。豎向振動是由人行走時重心的上下起伏的動力荷載引起，行人正常行走的步頻介于1.6 Hz（慢走）～2.4 Hz（快走）之間。對側向振動而言，當左腳站立邁出右腳時，側向力指向左面，反之指向右邊。在左右腳各邁出一步后，完成一次循環，所以側向步頻大約是豎向步頻的1/2，為0.8～1.2 Hz[6]。t 為行人在人非系統上通行的某個時刻。n'是等效行人密度。

式中：S 為橋面板面積；d 為最大人群密度。ψ 為考慮到步頻接近頻率變化范圍臨界值的概率而引入的折減系數，保守考慮，ψ=1.0。

利用有限元軟件的時程分析功能，將上述諧波荷載等效為時程函數施加于結構上，計算出在p（t）荷載作用下各節點處的加速度幅值，得到結構的最大豎向加速度amax=0.24 m/s2，最大側向振動加速度amax=0.025 m/s2。根據表3，可知舒適度級別為CL1。這說明即使在最高的交通等級下，由于人非系統的自振頻率遠大于行人的正常行走步頻，振動不會讓人產生不適感，可以滿足要求。

5 結語

豐城市紫云大橋跨江段采用雙層布置，通過計算分析，采用設置構造節段縫、弱化節段端部豎桿的連接剛度、優化人非系統桿件施工步驟等措施，來保證結構的受力滿足要求。同時，通過合理的手段驗算結構振動的峰值加速度，保證人非系統的舒適度滿足要求。最終設計的下掛人非系統用鋼量指標約200 kg/m2，低于上層主梁的結構用量。由此可見，采用下掛的人非系統不僅能夠滿足交通及景觀需求，還能夠節省工程造價。這種橋梁布置形式可以為市內的跨江大橋提供一種新的思路。