人行斜跨鋼箱拱橋設計與分析

程利鵬

[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

近年來，城市景觀步道項目日益增多，對于濱水步道項目則經常需要設置人行橋跨越水系障礙，為滿足景觀要求，橋梁結構需新穎美觀。斜拉橋、懸索橋和拱橋變化多樣，造型豐富，是景觀橋常用橋型；其中拱橋在中小跨徑更具經濟性和適用性，常成為人行橋的首選方案[1-5]。本文以國內某城市濱水項目實踐，分析一座人行斜跨鋼箱拱橋。

1 工程概況

該人行拱橋跨越現狀水閘口，為斜跨鋼箱拱橋結構，橋梁總長70m，跨徑組合為（10+50+10）m，主梁高度0.8m，橋梁結構總寬度8.5m，橋面寬5.5m。拱肋及主梁材料均采用鋼結構，吊索采用雙索面非對稱傾斜索面。橋梁總體造型美觀、結構新穎，已成為該景觀步道標志性景點，橋梁效果圖如圖1所示。

圖1 鋼箱斜跨拱橋效果圖

2 結構設計

2.1 總體設計

橋面功能寬度5m，總寬度8m，橋梁總長70m，橋型采用（10+50+10）m斜跨拱橋，橋梁總體圖如圖2所示。

圖2 橋梁立面布置圖（單位：m）

2.2 主拱設計

主拱斜跨跨長52.38m，拱矢高24.0m，拱軸線近似拋物線形。拱肋采用雙肢鋼箱拱結構，雙肢鋼箱拱肋斷面尺寸為高1.6m，寬（0.9+1.0+0.9）m=2.8m。

2.3 主梁設計

主梁梁高1.5m。為避免橋梁浸水后產生較大上浮力，采用雙工字鋼主梁開口斷面。因空間索布置下為滿足橋下凈空，拉索在梁端錨固點須拉到橋梁功能寬度之外，橋面每側加寬1.25m，橋寬共計8.0m；雙主梁間距3.6m，挑臂2.2m。鋼橋面板作為主梁上翼緣參與整體受力。每隔3.5m設置1道板式鋼橫梁。

梁端3.5m范圍內須設置混凝土壓重，防止端支座出現負反力，壓重荷載100kN/m。

2.4 吊索設計

吊索采用傾斜非對稱雙索面設計，每側設置吊索8根，吊索采用平行鋼絲拉索，兩端采用銷鉸式錨固構造分別與鋼拱和鋼梁連接。

2.5 下部結構及基礎

拱采用6根直徑1.0m的群樁基礎，承臺厚1.5m，承臺上設置混凝土拱座，以分散鋼拱腳受力。

橋臺采用重力式橋臺，每個橋臺下布置4根直徑1.0m的鉆孔灌注樁。

師:還有其他做法嗎？如果從剛才點到直線的本原定義來看的話，我們可以先將點到直線上任意一點的距離表示出來，再求這個距離的最小值即可.要求距離最小值，那么我們可以從什么地方切入呢？(引出目標函數法)

2.6 支座及擋塊、抗浮構造

豎向支撐采用板式橡膠支座。

在橋臺處橫橋向設置混凝土擋塊，擋塊與梁體之間設置彈性橡膠墊塊，防止梁體在正常使用情況及洪水橫向沖擊、橫向地震等情況下的側移。在橋臺臺身處預埋雙耳板，與鋼梁腹板對齊并銷接，防止洪水情況下梁體上浮。銷釘孔順橋向呈長腰型，滿足正常使用縱向變形要求。在跨中最高點梁體腹板上方適量開氣孔，防止水位上升時兩片鋼梁間形成倒扣盆效應而產生較大浮力。

2.7 其他附屬設施

橋面鋪裝采用5mm厚度彩色陶粒薄層鋪裝；伸縮縫采用簡易鋼板伸縮縫；橋面橫向不設置橫坡，縱橋向中間高，兩側低，水沿地袱向兩端流入步道排水溝中，橋上不設置泄水孔；欄桿采用鋼制欄桿。為避免橋梁浸水后產生較大上浮力，主梁做成開口斷面，之后兩片工字鋼主梁之間建議不做裝飾，僅在兩側做，并且兩側采用的裝飾與主梁之間也應避免形成封閉箱室。

3 結構受力分析

3.1 計算模型

采用midasCivil軟件建立空間有限元模型，拱肋、主梁縱橫梁采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，吊索采用桁架單元模擬，邊界條件設置為拱腳固結，主梁在橋臺和輔助墩處設置簡支支座。計算荷載包括結構自重、二期恒載、人群荷載、溫度荷載、基礎變位、風荷載和水流沖擊荷載（100a一遇水位下）。

3.2 索力確定

全橋共16根吊索，每側8根，按雙索面非對稱布置。為求得較為優異的索力計算結果，根據主梁梁段自重與吊索豎向分力基本相當的原則初步確定索力，再進行局部微調，保證索力的均勻性。所求得成橋階段索力見表1。

表1 成橋索力

從索力的分布可以看出，中間索的索力較小，邊索的索力稍大，但由于設置了輔助墩，邊索與中間索的索力差異較小。

3.3 應力計算

拱肋、主梁在作用基本組合下的應力極值見表2。

表2 主梁主拱應力極值

3.4 位移計算

成橋階段橋梁在恒載、人群活載作用下主要構件的位移見表3。

表3 恒活載位移

位移計算結果表明，拱肋、主梁在人群活載作用下，最大豎向位移為12.7mm，撓跨比為1/3937＜1/600，表明本橋整體剛度較大。主梁在恒活載均產生了一定的水平位移，表明不對稱的拉索布置導致主梁出現了一定的扭轉變形，但幅度較小，對結構安全和使用均無影響。

3.5 動力特性分析與屈曲穩定分析

橋梁在成橋狀態下的前7階自振頻率及振型見

表4 。計算結果表明，主梁一階豎彎自振頻率為3.65Hz，動載試驗的實測值為5.01Hz，實測值/理論值為1.37，即結構實際剛度大于理論剛度。究其原因，除了材料特性和荷載的微小差異外，橋梁欄桿和抗浮銷鉸（見下文4.2節詳細論述）對主梁豎向剛度也有較大貢獻。

結構的第一階失穩模態為主梁面內失穩，穩定系數為29，具有較高的穩定系數，不會成為設計的控制因素。

4 特色設計

4.1 橋面鋪裝

根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69-95）要求，人行橋豎向自振頻率不應小于3Hz。人行橋景觀要求高，結構跨度大，造型輕盈，結構基頻往往成為控制因素。本橋采用薄層抗滑耐磨鋪裝，鋪裝總厚度5~6mm，可較大減輕二期恒載質量，提高結構基頻。

薄層抗滑耐磨鋪裝是在打砂的鋼橋面板上先后涂刷防腐底漆、樹脂防水層，然后撒布耐磨性能強的硬質骨料，通常為金剛砂、陶瓷或專門配制經過鍛燒的鋁釩土等材料。黏結料和骨料能緊密形成一體，且保持良好的抗滑性。由于使用了高硬度骨料，抗磨性、抗滑性及耐久性強，其中骨料可以根據景觀要求，采用不同顏色材料。薄層抗滑耐磨鋪裝結構見表5。

表5 薄層抗滑耐磨鋪裝結構

薄層抗滑耐磨鋪裝結構應滿足如下技術要求：鋪裝層與鋼板在25℃下黏結強度不低于5.0MPa；防水層拉伸強度不低于10.0MPa；在-20℃低溫彎曲試驗下不產生裂縫。同時鋪裝層還應具有良好的耐化學腐蝕性（柴油、汽油、除冰鹽）和良好的抗滑性能。

4.2 抗浮銷鉸

由于本橋設計水位較低，在百年一遇水位下橋梁將處于完全淹沒狀態，為防止橋梁主梁在洪水及漂浮物的沖擊下發生偏位甚至落梁，通過在主梁橋臺處設置抗浮銷鉸來解決這一問題。抗浮銷鉸限制主梁的豎向及橫向位移，縱向正常溫度伸縮不受影響，具體構造如圖3所示。

5 結 語

本文介紹并分析了人行斜跨鋼箱拱橋的受力，分析結果表明：

圖3 抗浮銷鉸立面構造

（1）人行橋的設計應兼顧結構的安全性、美觀性和耐久性，并因地制宜，綜合考慮各項細節，才能做到以人為本的橋梁設計。

（2）成橋吊索索力與吊索布置一樣，呈現反對稱的特征，但總體上吊索索力差異不大；主拱和主梁在恒載和活載的作用下，應力和位移均較小，橋梁整體剛度較大。

（3）結構的一階豎彎基頻計算值為3.65Hz，實測值為5.0Hz，結構實際剛度大于理論分析剛度，主要是由于欄桿對結構靜力剛度的貢獻以及抗浮銷鉸對結構豎向振動的約束；結構的穩定系數較高，穩定性好。

（4）由于人行橋橋面板局部荷載小，采用薄層抗滑耐磨鋪裝可以減輕結構的自重，提高結構的基頻；還可自主選擇鋪裝顏色，進一步提高景觀性能。

（5）抗浮銷鉸設計可以有效保障結構的被水位完全淹沒的情況下，橋梁不發生移位，同時又不會限制靜力狀態的溫度伸縮。