杭州市運河主跨145 m 人行橋反向芬克式桁架方案技術可行性論證

姚 政

（杭州市城鄉建設設計院股份有限公司，浙江 杭州 310004）

0 引 言

運河人行位于杭州市大城北拱墅區運河新城單元，區塊內跨越京杭運河的橋梁有北側的上塘高架與南側的石祥路，相距約940 m，行人、非機動車過河要繞行較遠的距離。為了方便兩岸聯系，縮短居民、游客過河的時間，需要建設人行橋。

人行橋經過橋梁、景觀、水利、通航等專家論證，并經過規劃部門批準采用22.5 m+145 m+22.5 m 反向芬克式桁架橋，橋梁全長190 m，橋梁全寬按9 m設計。計算荷載：人群荷載按《城市橋梁設計荷載標》（CJJ 77—98）執行，取值4.0 kN/m2。抗震烈度：地震基本烈度6 度[1-5]。

1 橋位選擇

橋位選擇一般遵循以下基本原則：

（1）橋梁跨度應滿足最小的航寬要求;

（2）河道、河岸線順直，河床、河勢基本穩定;

（3）橋墩應避開河道主流和主航槽,尤其是枯水航槽;

（4）工程地質、水文地質較好、橋址處局域地質穩定；

（5）河面水域相對較小，以減小橋梁長度，降低橋梁造價；

（6）兩岸被交道路接線順暢，與兩岸城市規劃和岸線利用相協調。

根據橋址河段兩岸河岸線現狀與建筑規劃條件，初步擬定上塘高架北側與南側的石祥路中間選擇建橋位置。

2 結構設計

2.1 上部結構

上部結構采用反向芬克式桁架橋，橋梁跨徑布置為22.5 m+145 m+22.5 m，全長190 m，橋梁全寬9 m（不含風嘴），橋頭通過樓梯與地面銜接。結構采用單榀桁架與鋼箱梁組合結構，鋼箱梁梁高1.8 m，箱梁兩側各設置風嘴，以提高抗風穩定性；橋塔、撐桿皆采用鋼結構，橋塔采用變截面圓形結構，橋面以上高度18 m；全橋共設置撐桿8 個，高度從4.88～11.70 m變化不等，撐桿頂幾何外形為二次拋物線矢跨比1∶5，撐桿、塔頂設彩色燈帶，以提高夜間景觀效果。反向芬克式桁架橋梁整體造型輕盈、通透、結構新穎（見圖1～圖3）。

圖1 橋型立面圖（單位：cm）

圖2 橋型平面圖（單位：cm）

圖3 撐桿處主梁斷面圖（單位：cm）

2.2 下部結構

橋梁采用塔梁固結、塔墩分離的結構，主墩采用承臺鉆孔樁基礎，承臺厚3 m，下設4 根直徑1.5 m的鉆孔樁。橋臺處設直徑1.2 m 的鉆孔樁兩根，地面與橋面采用樓梯接連，臺階坡度滿足自行車和推行要求（見圖4）。

圖4 主墩斷面圖（單位：cm）

2.3 橋面系

人行道系采用支撐縱梁與橫向蓋板組合形成，人行道鋪裝采用彩色面磚鋪裝，欄桿采用不銹鋼/ 炭素鋼復合管。

2.4 施工方法

橋塔、撐桿、主梁工廠分段預制、現場焊接、拼裝（水中設置臨時支墩），下部結構棧橋施工、現場澆筑。

3 靜力結構分析

3.1 上部結構靜力分析

計算圖示模擬：反向芬克式桁架是將芬克式桁架倒置，把原有的上承式桁架變為下承式桁架，并將這種新型結構體系命名為反向芬克式桁架，目前其理論研究仍然處在初步階段，國內還沒有專家學者對其進行系統的研究。為運河新城單元人行橋項目建設需要，本報告并對其靜、動力特性進行專題研究，以找到可靠的力學計算方法和結構設計理論，因限于篇幅，本文做概略介紹。

本工程采用《MIDAS/civil 2018》有限元電算軟件進行建模計算分析。程序計算時，首先輸入任意一組拉索索力，然后利用程序中的優化模塊，指定結點位移、拉索內力和主梁應力為約束條件，通過優化求解，得到一組滿足位移、應力和索力要求的目標函數，即成橋索力。結合本橋特點，控制條件中盡量放寬主梁應力及位移，在主梁應力及位移滿足規范要求的前提下，盡可能降低拉索內力，從而降低撐桿壓力，減小撐桿截面，使橋梁受力合理。計算內容主要包括主粱應力、撐桿應力、吊桿應力、主粱撓度以及結構特征值分析等內容。橋梁共分105 個單元，88個節點（見圖5）。

圖5 Mida s 計算模型

3.2 主要構件計算結果

主梁應力計算成果：基本組合下主梁上緣最大壓應力135 MPa，最大拉應力163 MPa，主梁下緣最大壓應力173 MPa，最大拉應力180 MPa。主梁最大剪應力26 MPa，滿足規范要求。

3.3 撐桿應力計算成果

基本組合下桅桿最大壓應力161 MPa，滿足規范要求。

3.4 拉索內力

拉索內力見表1。

表1 拉索內力表

小結：標準組合下吊桿安全系數＞3.0，滿足規范要求。

3.5 由人群荷載計算最大豎向撓度

人群荷載計算最大豎向撓度見圖6。

圖6 人群荷載計算最大豎向撓度

在人群荷載作用下最大豎向撓度為22.8 cm＜L/450=32.2 cm，撓度滿足要求。

3.6 人行橋自振頻率驗算

自振模態特征值見表2。

表2 自振模態特征值

從以上計算結果知可，橋梁前三階自振頻率為0.74 Hz，1.38 Hz，1.94 Hz，分別為豎向振動，水平振動，豎向振動。橋粱自振頻率較低，，均不能達到人行橋規范要求頻率范圍。宜設置合適的阻尼器來減小結構的動力響應。下一階段設計時，應當進行人致振動專項設計和地震響應分析。

4 施工方案簡介

橋梁施工主要步驟：

（1）孔灌注樁采用機械成孔，完成樁基、承臺、橋墩以及臨時墩施工；

（2）搭設臨時支架、采用少支架法安裝鋼箱梁；

（3）安裝邊跨主梁壓重塊，安裝主塔和橫撐、張拉斜拉索并觀測鋼箱梁在施工過程中的變形，及時記錄鋼箱梁撓度，對觀測數據進行分析整理，以指導施工進程；

（4）拆除臨時支墩，再安裝跨中附近橫撐、張拉斜拉索；

（5）安裝欄桿、施工橋面系；

（6）調整成橋索力；

（7）完善橋面系；

（8）鋼結構的外表氟碳漆防腐；

（9）竣工運營。

5 下一階段尚需要進行研究工作

本工程橋梁主跨145 m，采用單索面結構，為世界最大跨徑單索面反向芬克式桁架結構橋，在設計方面尚無先例可循。下階段橋梁設計將主要在以下三個方面開展研究研論證工作：

（1）結合相關詳規，對橋型方案進行優化、深化設計。

（2）橋梁靜力性能研究

a. 壓桿穩定研究；

b. 主梁偏載作用下的扭轉穩定研究。

（3）橋梁動力性能研究

a. 人致橋梁振動研究；

b. 地震作用研究；

c. 風振研究。