新型連續鋼箱梁人行仿古廊橋的設計與計算

摘要：以莆田市綬溪公園狀元橋為例，根據公園景觀規劃，再深度挖掘莆田市獨特的狀元文化，將“斗拱”“歇山”等傳統元素融入到橋梁設計方案，設計出滿足橋梁建筑結構和現代美學的人行“仿古廊橋”。通過比選不同橋梁結構，確定了采用變截面鋼箱梁匹配仿古廊橋為最佳設計方案。采用MIDAS/Civil軟件對狀元橋進行建模和結構計算分析，確定了廊橋方案的技術可行性，可為同類橋梁設計施工提供參考。

關鍵詞：廊橋；變截面鋼箱梁；設計計算；有限元分析

中圖分類號：U442文獻標志碼：A廊橋也稱屋橋、厝橋，主要是在橋面上加蓋長廊或建屋、亭，既可以保護橋梁，又美化了橋梁本身，具有極高的歷史價值、建筑價值和藝術價值［1］。在古代，通常都是木橋或者石橋結合木廊而形成的廊橋，其主要特點是跨徑小和結構強度低。隨著混凝土和鋼結構的迅速發展和應用，現可以采用鋼筋混凝土橋或者鋼結構橋結合木廊的形式，既滿足橋梁結構承載力要求，又體現了古代建筑文化藝術［2-5］。本文通過對比兩種不同梁橋方案的施工工藝、工期、施工環境影響、施工難易度、造價和養護難易度等，確定了采用變截面鋼箱梁匹配廊橋結構為最優方案。采用MIDAS/Civil軟件對狀元橋進行了有限元分析，對狀元橋的受力、變形、穩定性、動力以及局部構造等方面進行分析，為該類型橋梁的設計與施工提供了參考和借鑒。

1狀元橋簡介

莆田市延壽溪綬溪公園狀元橋為人行仿古廊橋，主橋設計跨徑為32 m+60 m+32 m變截面鋼結構連續梁橋，跨中設置了4個TMD阻尼器，優化了梁高，降低了工程造價。在深度挖掘了莆田獨特的狀元文化后，將“斗拱”“歇山”等傳統元素融入狀元橋的設計方案中，將中式的內涵通過新材料和新結構來呈現，營造出一種具有時代創新性的建筑空間和形式，強化了傳統結構形式的當代再現，表達了傳統文化的深層記憶，目前為莆田市新增網紅打卡點。

狀元橋橫跨延壽溪，左右岸分別為沖洪積及剝蝕殘丘地貌，橋址區河床寬度約為45 m，高程0.38～3.42 m，設計常水位為3.52 m，設計洪水位（1%）為6.97 m，場地主要由耕植土、雜填土、卵石、強風化花崗巖和中風化花崗巖組成。東側與博物館相接，西側連接綬溪公園觀景步道。狀元橋的建設連接公園A區和D區，有效連接了博物館廣場和山體休閑景區，完善了區域內步行交通系統，提高了區域內游人通達性。

2狀元橋主橋方案對比

2.1方案1：變截面鋼箱連續梁

依據上位規劃確定的狀元橋橋跨為32 m+60 m+32 m，橋寬8 m，選用單箱單室的鋼箱梁斷面，跨中梁高為2.0 m，支點梁高為4.2 m，梁高變化曲線采用2次拋物線。

2.2方案2：預應力混凝土連續梁

狀元橋上部采用變截面預應力混凝土連續梁，支點梁高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

上述兩種方案各項技術經濟指標對比如表1所示。由表中可以得出預應力混凝土箱梁造價較低、養護較簡單，但是施工工期長，對周圍環境影響大，且不利于造型設計。由于目前國家在推廣鋼結構，而且其施工工期短、環保、質量好、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狀元橋主橋結構設計

狀元橋主橋全長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，支點梁高為4.2 m，橋寬8 m，布置為0.5 m（欄桿）+7 m（人行道）+0.5 m（欄桿），在中跨12 m范圍內通過梁端各加長2 m懸臂，寬度變為12 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。

狀元橋主橋支點和跨中截面如圖3—4所示。箱梁內頂板縱肋采用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。全橋共設置兩道中橫梁與端橫梁，主橋設置了4個TMD阻尼器。

狀元橋主橋橋墩為混凝土板式墩，2#主墩基礎為鉆孔灌注樁基礎，3#主墩基礎為擴大基礎，西側邊跨橋墩為樁柱式鋼管混凝土墩，橋臺采用樁柱式臺接擴大基礎。橋梁采用的結構鋼材料特性如表2—表3所示。

4狀元橋主橋結構計算

4.1設計標準

1）恒荷載

橫隔板采用節點荷載8 kN；

主橋二期鋪裝：17.5 kN/m；

橋廊荷載：標準段29 kN/m，加寬段58 kN/m；

欄桿荷載：2.0 kN/m。

2）基礎變位：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規范》（CJJ 69-95）［6］（以下稱“人行橋規范”）計算。

4）溫度：整體溫度按升溫25 ℃，降溫25 ℃。溫度梯度按英規BS5400［7］執行。

5）設計基準期為100年，設計使用年限為100年，結構安全等級為一級，環境類別為I類。

4.2有限元模型

上部結構采用空間桿系有限元模型進行計算，模型采用梁單元，共劃分為128個梁單元，計算模型如圖5所示。橋梁支座布置如圖6所示，1#、3#、4#墩位設置一個單向一個雙向支座，2#墩位設置一個固定支座一個單向支座。

4.3強度計算

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力范圍為-161.4～49.7 MPa，下緣應力范圍為-97.6～186.6 MPa。考慮結構重要性系數1.1后，仍小于鋼材強度設計值，滿足規范要求。

4.4剛度計算

主梁由人群荷載產生的豎向撓度如圖9所示。

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

4.5穩定分析

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》［3］，滿足h/b0≤6，且L1/b0≤65時，可不計算梁的整體穩定性，h/b0=0.4≤6，且L1/b0=12≤65，因此鋼箱梁的整體穩定性滿足要求。

4.6主橋動力分析

通過動力計算得到橋梁自振頻率和振型特性如圖10和表4所示。

5狀元橋主橋局部構造計算

5.1頂底板及腹板加勁肋幾何尺寸

5.2腹板及腹板加勁肋

5.3支承加勁肋

6結語

本文通過對狀元橋兩種主橋結構形式進行對比，綜合考慮景觀因素，最終確定變截面鋼箱連續梁為仿古廊橋的匹配方案。采用MIDAS/Civil軟件對狀元橋主橋結構進行模擬分析，重點對橋梁上部結構主梁的強度、剛度和穩定性進行計算分析，對結構頂底板、腹板、腹板加勁肋、支承加勁肋進行驗算，以及對動力作用下的橋梁自振頻率和振型特性進行分析，計算結果均符合要求，可以為同類橋梁的設計計算提供借鑒意義。參考文獻：

[1]蔣宇，孫軍.論中國古代廊橋的生態美學思想［J］.公路，2020，65（2）：183-186.

［2］ 秦鵬宇，王彥君，馬崗，等.雙碳背景下立體公園智能化實踐：以深圳濱海廊橋為例［J］.綠色建造與智能建筑，2023（10）：17-20.

［3］ 王鑫，王帥，張桐，等.海螺島跨海大橋“廊橋一體”方案研究［J］.城市道橋與防洪，2023（10）：57-61，15-16.

［4］ 朱偉，劉維棟.恩陽起鳳廊橋橋梁總體設計研究［J］.工程技術研究，2023，8（16）：157-161.

［5］ 甘培峰，何志力，肖泰.濱海廊橋A段人行天橋結構設計與研究［J］.建筑結構，2022，52（增刊2）：593-598.

［6］ 中華人民共和國建設部.城市人行天橋與人行地道橋技術規范：CJJ 69-95［S］.北京： 中國建筑工業出版社，1996.

［7］ Steel concrete and composite bridges-part 5： code of practice for the design of composite bridge：BS 5400-5：2005 ［S］.London： The Standards Policy and Strategy Committee， 2005.

［8］ 中華人民共和國交通運輸部.公路鋼結構橋梁設計規范：JTG D64—2015［S］.北京：人民交通出版社，2015.

（責任編輯：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