福州市金雞山飛虹橋概念設計和結構分析

肖澤榮

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350001)

福州市金雞山飛虹橋概念設計和結構分析

肖澤榮

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350001)

座落于福州市金雞山公園的飛虹橋是一座提籃式鋼管拱橋。文章闡述了該人行橋的概念設計特點，并采用有限元程序MIDAS/Civil 建立全橋空間計算模型，進行結構受力性能分析和驗算，結果表明該橋滿足設計要求。

X形雙肋拱橋；概念設計；有限元

0 引言

飛虹橋位于福州市金雞山公園，該橋是溝通兩座山的人行交通要道，也是福州市慢行系統中的一部分。該橋的原址有一座人行懸索橋，原先的懸索橋，橋面窄小，因年代久遠成為了危橋，已多年不能通行。因金雞山公園步行道的提升改造，需將此處的人行索橋拆除重建。金雞山公園群山環繞，山脈優美的塑形啟發設計師選用古典但不失時尚的結構類型——拱式結構。

1 概念設計

拱橋總是能令人賞心悅目而又清晰地表達出它的功能，它極易融入環境和滿足大家的審美習慣與需求。在橋梁概念設計中，應首先考慮橋位選址的歷史及周圍環境，充分研究、消化理解和合理應用建橋自然條件基礎資料的專題成果，是概念設計安全性的基本要求[1]。鋼拱橋的高強輕型等特性能滿足設計師對結構造型的追求，促使鋼拱結構的形式不斷變化與翻新，特別是中小跨的人行橋[2]。

X型雙肋拱也被稱為提籃拱，該結構是一個三曲率空間結構體系，即在拱軸平面內與垂直于平面的拱體兩側方向都按某種選定的曲率來造型。與其它類型的拱橋相比，提籃式拱橋是將通常的中(下)承式拱式拱橋的拱肋向橋軸線方向傾斜，甚至在拱頂合攏，通過改變拱結構的靜力計算圖式來有效地增強側向剛度和抗傾覆穩定性[3]。因此，提籃式拱橋具有面外穩定性能好、可降低對拱橋寬跨比限制、良好施工穩定性和抗震性能、出眾的美學特征等明顯的競爭優勢。兩個呈拋物線型的拱肋在橋跨中部內傾，使結構充滿活力，讓觀光者銘記城市發展的速度。橋梁造型輕盈靈動，與金雞山公園濃厚的人文氣息相得益彰。

2 總體布置

飛虹橋位于金雞山公園內，本景觀橋東側為魏杰故居，西側連接公園休閑道，主拱采用下承提籃式鋼管拱，拱橋計算跨徑60m，計算矢高8m，拱肋采用兩根壁厚20mm的D600mm鋼管，吊索采用Φ40mm的40CrNiMoA高強度吊桿，錨固為螺栓錨固。橋面人行道寬2.5m，上部結構主梁采用鋼箱梁，標準寬度6m，截面布置形式為變截面單箱三室，梁高0.7m～1.5m，橋臺采用重力式鋼筋混凝土U型橋臺，基礎為擴大基礎。橋梁總體布置如圖1～圖2所示。

圖1 橋梁立面圖(單位:cm)

圖2 橋梁標準斷面圖(單位:cm)

3 主橋上部鋼結構驗算

為驗證結構安全性及可靠性，采用有限元程序MIDAS/Civil 2015建立全橋空間計算模型，對結構進行受力性能分析及驗算。

3.1 空間有限元模型

本文所建立的有限元模型如圖3所示。該有限元模型設有292個節點，417個單元，其中：拱肋、橋面系橫梁、主橋鋼箱、支撐采用桿系單元，吊桿采用只受拉單元，系桿采用梁單元；拱腳與系桿固結，拱肋和主梁鋼箱銜接圓弧段通過等效剛度剛臂連接在一起，以模擬橋梁真實邊界條件。考慮人行荷載為5.0kN/m2。

圖3 主橋空間有限元模型

3.2 主橋鋼結構承載力驗算

承載力驗算荷載組合考慮4種工況：

第1組合為1.2×①+1.4×②+0.98×④；

第2組合為1.2×①+1.4×②+0.98×⑤；

第3組合為1.2×①+1.4×③+0.98×④；

第4組合為1.2×①+1.4×③+0.98×⑤(其中，①恒載，②人群滿載，③人群半跨加載，④環境升溫25℃，⑤環境降溫23℃)。荷載組合后得到結構最不利內力如表1所示。

表1 結構最不利內力

對結構組合應力最大值進行提取，得到拱肋和鋼箱梁體的最大組合應力分別為96.8 N/mm2和58.3 N/mm2。由于上部結構為鋼結構，因此分析以應力結果控制，由提出的組合應力值，可得各構件的應力在最不利工況下的應力為96.8N/mm2，小于容許應力170N/mm2。因此主橋鋼結構承載力滿足設計要求。

3.3 主橋風荷載作用橫向變形和應力計算

主橋橫向變形荷載工況考慮為：1.0×恒載(自重)+1.4×風載，福州地區風荷載標準值W0=0.85kN/m2(百年一遇)。計算可得最大跨中橫向位移為0.011m

拱肋在風荷載參與組合作用下的組合應力最大值為88N/mm2，小于容許值170N/mm2。

3.4 吊桿計算

根據最不利荷載組合得到吊桿作用效應如圖4所示，易知跨中吊桿受力最大為83.0kN。吊桿采用40CrNiMoA高強度吊桿，極限拉應力為780MPa，其基本構造如圖5所示，依據材料力學計算易得吊桿承載能力為979.68kN，遠大于吊桿所承受的荷載值，因此吊桿設計滿足安全驗算。

圖4 最不利荷載組合下吊桿拉力

圖5 吊桿大樣圖(單位:mm)

3.5 主橋撓度驗算

主橋撓度計算采用荷載標準值，考慮恒載(自重)+活載(人行荷載)的影響，橋面系和拱肋的撓度值分別為0.017m和0.062m。人群荷載作用下最大豎向撓度應滿足L/600=60/600=0.1m，因此人行橋滿足撓度驗算要求。

3.6 主橋穩定驗算

拱是主要受壓構件，穩定問題主要是針對拱肋的穩定。第1類穩定問題是指：如果拱所承受的荷載達到一定的臨界值時，拱的平衡狀態就會喪失穩定性，或者在豎向平面內拱軸線離開原來的純壓對稱變形狀態向反對稱的平面撓曲，即向受壓兼受彎狀態轉化，稱為拱的面內屈曲；或者拱軸線傾出豎平面之外，轉向空間彎扭的變形狀態，稱為拱的面外屈曲或拱的側傾[4]。

穩定系數取決于軸向壓力，因此結構特征值計算的荷載工況為: 恒載+滿布活載，對成橋階段下的結構整體穩定性進行計算。結構面外失穩情況如圖6所示，計算所得面外穩定系數列于表2。

圖6 主橋上部結構面外一階失穩

階段穩定系數失穩模態125．87面外雙波失穩234．96面外三波失穩

由表2可知，第一階穩定系數是25.87>4.0，滿足設計規范要求。

4 結語

對于公園景區內的景觀橋梁設計，設計師應充分研究橋位處周邊景觀及地形的特點。飛虹橋選用了提籃拱結構作為本橋的結構受力體系，橋梁結構與周邊景觀融為一體，該橋建成后已成為金雞山公園一道亮麗的風景線，詳見附圖——飛虹橋效果圖。

橋梁結構體系確定后，通過有限元進行空間建模受力分析，本橋的主橋鋼結構承載力、風荷載作用下的橫向變形和應力、吊桿設計、撓度驗算及第一階穩定系數等均滿足設計規范要求。因此，該橋的設計思路和尺寸構造可供這類橋梁設計參考。

附圖 飛虹橋效果圖

[1] 項海帆.橋梁概念設計[M].北京：人民交通出版社, 2011.

[2] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋(第二版)[M].北京：人民交通出版社, 2007.

[3] 謝健科, 寧曉駿, 廖運河,等.無推力提籃式人行拱橋的設計與分析[J].中外公路, 2013, 33(2).

[4] 郭月峰.鋼管混凝土提籃拱橋受力特性分析——泉州市和昌大橋[D].福州：福州大學，2007.

The conceptual design and structural analyses of Feihong Bridge at the Jinjishan Park in Fuzhou

XIAOZerong

(Fuzhou Planning Design & Research Institute,Fuzhou 350001)

FeihongBridge is a X-shape steel arch bridge and located at the Jinjishan park in Fuzhou.In this thesis, conceptual design features of this footbridge have been discussed.With the Midas/Civil software, the FEA model is established to analyze bridge mechanical performance, the results show that FeihongBridge meets design requirement.

X-Shape steelarchbridge;Conceptual design; Finite element analysis

肖澤榮(1977.11- )，男，高級工程師。

E-mail:529942757@qq.com

2017-03-17

U44

A

1004-6135(2017)06-0107-03