大跨下承式單肋鋼管混凝土人行拱橋設計

盧小鋒，田 波

（四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都 610041）

1 工程概況

高翔東路人行橋位于武侯區與錦江區交界的錦江河上，現狀河道規劃河堤邊線85 m，橋位右岸為白云小區和將軍樓，左岸為翡翠城小區，左岸上游為東湖公園。該人行橋設計主要為了解決錦江兩岸的人行交通東側為已建成的公園綠化帶，西側為在建的沿河綠化帶，場地地形平坦，地面高程491.10～491.92 m，場地地貌屬岷江水系I 級階地。根據鉆孔資料顯示，在鉆孔揭露深度27 m 范圍內，地基土從新至老依次為人工填土（Q4m）l、第四系全新統（Q4al+p）l沖洪積層卵石土及白堊系上統灌口組（K2g）泥巖。

2 主要技術標準

（1）設計荷載：人群荷載5.0 kN/m2；欄桿推力2.5 kN/m。

（2）人行橋主橋寬度：總寬7.0 m。

（3）梯步寬度：3.0 m。

（4）地震基本烈度：7 度；地震動峰值加速度值為0.10g，抗震設防措施8 級。

（5）航道標準：航道等級：Ⅵ-(2)級；雙向通航凈空：凈64 m×6 m。

（6）設計安全等級：一級。

（7）設計洪水頻率：1/200。

（8）環境設計類別：Ⅰ類。

（9）相對濕度：多年平均為82%。

(10)結構使用基準期：100 a。

3 橋型方案的選擇

根據通航安全影響論證報告，橋式方案在左岸下河心村樞紐船閘上引航道通航水域內不得設置橋墩，擬采用一跨過江的橋式方案。

初步設計階段考慮了單肋鋼管混凝土下承式拱橋方案、下承式鋼箱拱橋方案和雙塔斜拉橋方案。綜合造型、結構功能、施工方案、工程造價、后期運營管理等，單肋鋼管混凝土拱橋方案最為適宜，作為推薦方案。

表1 為橋型方案對比表。圖1、圖2分別為推薦方案立面和橫斷面布置圖。

4 主橋結構設計

4.1 主橋拱肋

主跨跨徑100.5 m，主拱肋為矢跨比1/6 的懸鏈線拱。計算矢高16.25 m，拱軸系數m=1.167。拱肋直徑1.2 m，從拱腳到拱頂分別采用壁厚為26 mm、22 mm、18 mm 三種鋼管。管內混凝土采用C50 自密實補償收縮混凝土。拱肋鋼管采用Q345C，可采用無縫鋼管或直縫焊接鋼管，不得采用螺旋焊管。拱肋預拱度線型采用二次拋物線型。拱肋分成6個吊裝節段和一個合攏段。拱梁結合部位構造如圖3所示，拱腳鋼管與主梁頂板、橫隔板焊接，并在鋼管內以及鋼箱梁內設置若干加勁板以加強鋼結構局部構件的強度和穩定性能。

表1 橋型方案對比表

圖1 推薦方案主橋立面布置圖（單位：m）

圖2 推薦方案主橋橫斷面布置圖（單位：cm）

圖3 拱梁結合段構造剖面圖（單位：mm）

4.2 主橋主梁

主梁采用單箱雙室鋼箱梁，Q345C 鋼材，橋面全寬7 m，跨中梁高1.0 m，梁端高度1.8 m。頂板厚12 mm,底板厚16 mm，腹板厚12 mm,頂、底板加勁肋厚12 mm，腹板縱向加勁肋厚12 mm,橫隔板厚10 mm。考慮運輸條件的限制，鋼箱梁分段在工廠制造，工地安裝。鋼箱梁分為標準節段和拱腳端節段，標準節段分為3.5 m 和4.25 m 兩種類型，端節段為6 m。

拱梁固結，主梁同時兼做系桿平衡主拱推力。

4.3 吊桿

主橋吊桿共設13 根，拱腳吊桿距離拱腳6.75 m，其余吊桿間距為7 m。吊桿采用剛性吊桿，材質為GLG460-UU 型鋼拉桿，桿體直徑為75 mm，屈服強度為460 MPa，吊桿材料參考《鋼拉桿》（GB/T20934-2007），吊桿兩端采用銷軸與拱肋、主梁連接。吊桿安全系數大于2.5。

4.4 主橋下部結構及支座布置

主墩采用直徑1.4 m 的鋼筋混凝土圓柱墩，樁基礎采用直徑1.5 m 鉆孔灌注樁，樁基礎為嵌巖樁。在主橋兩端各設置兩個矩形固定型高阻尼隔震橡膠支座（HDR（Ⅰ）-450×550-G8/8），盡可能增大主橋兩端支座橫向間距，以提高橋梁整體的穩定性，支座間距4.7 m，全橋共設置4 個。梯步、緩坡道通過主橋墩橋墩蓋梁擋塊頂布設兩個GYZF4 175 ×35 滑板式橡膠支座與主橋銜接（見圖4）。

5 結構分析計算

5.1 靜力分析

5.1.1 總體靜力計算

采用Midas Civil 軟件，對橋梁結構進行內力、變形分析。全橋計算模型如圖5所示，其中，拱肋、主梁采用梁單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬。

圖4 主橋下部及支座布置圖（單位：cm）

圖5 靜力計算模型

運營階段，人群荷載布置按圖6所示方式進行布載，選取其中最不利狀態進行驗算。

圖6 人群荷載布置形式示意圖

拱肋在最不利荷載組合作用下，拱肋上緣混凝土最大壓應力為15.9 MPa，鋼管最大壓應力為100.9 MPa，最大拉應力為12.4 MPa；拱肋下緣混凝土最大壓應力為10.9 MPa，鋼管最大壓應力為69.1 MPa，最大拉應力為32.0 MPa。

主梁在最不利荷載組合作用下，上緣最大拉應力為69.3 MPa，最大壓應力為47.9 MPa；下緣最大拉應力為82.8 MPa，最大壓應力為13.4 MPa。

剪應力最大為49 MPa，最小為33.9 MPa。各應力計算值均小于規范容許值。

5.1.2 吊桿內力

運營階段吊桿最大拉力為542 kN，吊桿安全系數為2.9。

5.1.3 支座反力計算

1.3 人工孵化 受精卵在孵化槽內以流水方式進行孵化。孵化槽規格為長120 cm、寬35 cm、深30 cm；水溫控制在（16±0.5）℃，溶解氧6.5 mg∕L以上，pH為7.5；水流速度控制在0.03 m∕s；平均孵化時間150 h，最早120 h。受精卵采集完成后稱重，同時取5 g卵計數，從而推算出卵的數量；孵化出的魚苗采用稱重法測算。魚卵孵化過程中要及時挑出死卵，防止水霉著生。

單個支座豎向最大反力為2757 kN，最小反力為1980 kN。各工況下未出現負反力。

5.1.4 位移計算

表2 列出撓度計算結果。

表2 撓度計算結果表（單位：cm）

在人群荷載作用下，拱肋最大豎向撓度（正負撓度絕對值之和）為12.7 cm，小于《鋼管混凝土拱橋技術規程》要求值L/650=15.6 cm；在人群荷載作用下，主梁最大豎向撓度（正負撓度絕對值之和）為12.8 cm，小于《鋼管混凝土拱橋技術規程》要求值L/500=20.1 cm。

5.1.5 拱肋承載能力計算

經驗算，鋼管拱肋強度承載能力、鋼管拱肋穩定承載能力均滿足規范相應要求。

5.1.6 端節段局部分析應力計算結論

端節段局部分析計算采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立箱梁三維實體模型，如圖7所示。模型中，在拱角拱肋處施加拱肋傳下來的節點荷載，在主梁處施加主梁傳來的荷載，在支座處施加豎向、水平向及縱向約束。表3 為端節段局部分析應力表。

圖7 端節段局部分析有限元模型

表3 端節段局部分析應力表

各構件應力均小于規范容許值。

5.1.7 上下吊點局部分析應力計算

上下吊點局部分析計算采用通用有限元分析軟件ANSYS，建立三維有限元分析模型如圖8所示。

圖8 上下吊點局部分析有限元模型

上吊點最大等效應力：縱向加勁板應力191 MPa，銷栓孔加勁板應力等效應力為208 MPa，環向加勁板應力59 MPa。

下吊點最大等效應力為：吊耳應力226 MPa，環向加勁板應力187 MPa，吊耳兩側豎向加勁板(橋面以上)應力126 MPa，吊耳兩側豎向加勁板(橋面以下)應力66 MPa，吊耳中間豎向加勁板(橋面以上)應力 1 26 MPa。

吊點的最大等效應力最小于規范容許值。

5.2 穩定計算（見表4）

表4 運營階段前四階穩定系數表

計算分析表明，整體失穩首先為橫彎失穩，穩定系數較大，結構整體穩定性較好。

5.3 人行振動分析研究

5.3.1 動力特性分析

對建立的全橋有限元模型進行動力分析，提取全橋的前10 階頻率和振型，如表5 所列。根據國外最新修訂的人行橋規范 BS5400（BD/01）和EN1990 認為，人行橋豎向基頻小于3 Hz，橫向基頻小于1.5 Hz 時，應當進行人致振動分析和評估。

表5 全橋前10 階頻率和振型一覽表

5.3.2 人行振動分析

對該人行橋結構模型進行人行振動分析，評估該橋在正常使用荷載和不利荷載作用下人行舒適性是否能滿足要求。分析結論如下：

采用人群荷載強迫激勵下的振動響應分析，得到橫向加速度峰值為0.0013 m/s2≤0.1 m/s2，豎向加速度峰值為0.0400 m/s2≤0.5 m/s2。舒適性評價為“最好”。

6 總體施工方案

全橋采用搭設棧橋拼裝主梁，搭設門式框架支架拼裝主拱，采用先成梁再成拱的施工方式。

在錦江河上搭設跨河施工棧橋，作為該工程的鋼結構主要施工平臺。施工棧橋由滑移棧橋和吊裝棧橋組成。其中滑移棧橋主要負責主橋的滑移安裝，主梁采用頂推法分段拼裝后頂推到位。吊裝棧橋主要負責鋼管拱、吊桿、上部支撐等構件的運輸、安裝及臨時措施的拆除作業平臺，主拱采用汽車吊機分段吊裝后在支架上拼裝。

7 小結

高翔東路人行橋主橋采用下承式單肋鋼管混凝土拱橋，全橋結構構件采用焊接連接，鋼結構工廠制作，現場安裝，施工工期短。結構強度、變形、穩定性能、人行舒適性均能滿足規范要求，又滿足了景觀要求。

[1] 袁旭斌,孫利民.人行橋人致振動特性研究[D].上海:同濟大學,2006.

[2] 陳政清,劉光棟.人行橋的人致振動理論與動力設計[J].工程力學,2009.