豐城市紫云大橋人非系統(tǒng)設(shè)計與研究

嚴(yán) 瀟

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

國內(nèi)雙層橋梁早期主要用于鐵路或公鐵兩用橋梁同線過江的情況。近年來，國內(nèi)一些市內(nèi)跨江橋梁（如揚州萬福大橋、寧波春曉大橋等）開始采用主梁下掛人非系統(tǒng)的形式來同時滿足行人和行車的雙重需求。對這類橋梁而言，人非系統(tǒng)除了需要滿足結(jié)構(gòu)受力外，還應(yīng)當(dāng)對結(jié)構(gòu)舒適度進行評估。本文以豐城市紫云大橋工程為背景，簡述下掛人非系統(tǒng)的設(shè)計與研究成果，可以為類似工程提供借鑒。

1 應(yīng)用工程背景

豐城市紫云大橋是跨越贛江的一座大型橋梁，包含跨江主橋、水中引橋和南北岸陸上引橋等。跨江段橋梁均采用組合梁，總長約2.3 km。其中，跨贛江主橋橋型方案采用自錨式懸索橋，總長460 m，跨徑布置為（60+80+180+80+60）m=460 m。根據(jù)項目總體設(shè)計方案，跨江段橋梁需滿足人非系統(tǒng)過江的需求。人非系統(tǒng)的布置遵循以下原則[1]：

（1）根據(jù)初設(shè)批復(fù)，跨江段橋梁的橫斷面寬度31 m，施工圖階段可以優(yōu)化橫斷面布置，但不宜突破31 m 的寬度。

（2）行車道和人非道的尺寸需滿足交通功能，且與兩岸接線道路能夠銜接。

（3）人非系統(tǒng)的平、縱布置能滿足規(guī)范要求，保證人非交通的安全、舒適。

（4）人非系統(tǒng)能成為富有特色的景觀空間。

根據(jù)以上原則，跨江段橋梁采用雙層橋梁，上層布置雙向六車道，下層布置人非通道。人非系統(tǒng)橋面系通過豎桿下掛在上部結(jié)構(gòu)橫梁上。跨江段主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置見圖1。

圖1 主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：mm）

2 設(shè)計難點與對策

對于采用主梁下掛人非系統(tǒng)的橋梁而言，人非系統(tǒng)不是完全獨立的體系，其與上層主梁連接，必須考慮橋梁總體受力產(chǎn)生的影響。為了降低下掛人非系統(tǒng)參與橋梁總體受力的程度，需要適當(dāng)降低人非系統(tǒng)的整體性和剛度。

下掛的人非系統(tǒng)屬于輕柔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的自振頻率低，在行人等外界荷載的作用下容易引起大幅度的振動，會給行人帶來不適感[2]。為保證人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)舒適度滿足要求，需要提高其與上層主梁的整體性和剛度。

為確保同時滿足人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的受力與舒適度需求，采用有限元軟件進行計算分析。首先通過合理的構(gòu)造和施工措施來滿足結(jié)構(gòu)的受力需求[3]，然后對結(jié)構(gòu)的人致振動和行人的舒適度進行評估。

3 人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

以跨江主橋為例，簡述人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。人非系統(tǒng)采用鋼結(jié)構(gòu)，由下層橋面系、豎桿和上層小縱梁組成。橋面系標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段高度0.5 m，采用12 mm 鋼橋面板，兩側(cè)設(shè)置兩個工字型縱梁，中心距10.4 m，沿縱梁每隔4.5 m 設(shè)置一道橫梁。人非系統(tǒng)橋面系通過豎桿與上層主梁橫梁連接。豎桿采用工字型桿件，橫橋向與橋面系縱梁位置對應(yīng)，中心距10.4 m，順橋向間距9 m，豎桿兩端均通過節(jié)點板與上、下層結(jié)構(gòu)栓接連接，按固結(jié)構(gòu)造處理。為抵抗人非系統(tǒng)給主梁橫梁帶來的面外受力，在主梁橫梁之間設(shè)置小縱梁。小縱梁采用工字型桿件，橫橋向與豎桿位置對應(yīng)，中心距10.4 m。

由于人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力需要考慮橋梁總體受力產(chǎn)生的影響，因此采用有限元軟件建立全橋的空間桿系模型，見圖2。纜吊系統(tǒng)采用受拉單元模擬，塔墩梁和人非系統(tǒng)均采用梁單元模擬，按實際施工過程進行計算，形成成橋內(nèi)力，在此基礎(chǔ)上進行人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的受力分析。

圖2 主橋有限元計算模型

人非系統(tǒng)按3 種方式建模，通過對比結(jié)構(gòu)斷縫、人非系統(tǒng)豎桿的錨固連接方式來確定合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和施工措施，詳見表1。

表1 人非系統(tǒng)建模方法對比

其中，對于模型三的人非系統(tǒng)非斷縫處豎桿，與下層橋面系連接方式考慮施工步驟，人非系統(tǒng)安裝時按順橋向鉸接模擬，在上層主橋吊索張拉完成后再按固結(jié)模擬。3 個模型的計算結(jié)果對比詳見表2。

表2 人非系統(tǒng)計算結(jié)果對比 單位：MP a

通過模型一計算結(jié)果可知，由于人非系統(tǒng)與主梁連接形成桁架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其過度參與整體受力，恒載、上層活載引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均過大。同時，由于未設(shè)置結(jié)構(gòu)斷縫，主梁在溫度荷載作用下的變形會帶動人非系統(tǒng)構(gòu)件產(chǎn)生較大的應(yīng)力，造成計算模型一的基本組合下結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠超過鋼結(jié)構(gòu)強度設(shè)計值。

為降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力，考慮采用一些必要的構(gòu)造措施。首先，設(shè)置足夠多的結(jié)構(gòu)縫以保證上、下層無法形成桁架結(jié)構(gòu)參與總體受力。其次，弱化節(jié)段端部豎桿的連接剛度，形成鉸接，以此減小溫度變形的影響。

通過模型二計算結(jié)果可知，采取構(gòu)造措施后，人非系統(tǒng)的桿件應(yīng)力明顯降低。但因為節(jié)段中間豎桿的連接方式為固結(jié)，導(dǎo)致施工過程中累計的恒載應(yīng)力依舊偏大，基本組合下結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍高于鋼結(jié)構(gòu)強度設(shè)計值。為減少施工階段累計的恒載應(yīng)力，采用優(yōu)化豎桿施工過程連接方式的措施，豎桿與人非系統(tǒng)橋面系連接時按鉸接處理，待上層主橋吊索張拉完成后再形成固結(jié)。

通過模型三計算結(jié)果可知，補充施工措施后，施工過程中累計的恒載應(yīng)力明顯減小，基本組合應(yīng)力可以滿足結(jié)構(gòu)強度要求。根據(jù)以上計算分析結(jié)果，人非系統(tǒng)具體構(gòu)造和施工措施如下：

（1）橋面系順橋向每間隔3～5 根豎桿設(shè)置斷縫，將人非系統(tǒng)分割成27～44 m 長的節(jié)段，斷縫位置設(shè)置伸縮縫。

（2）節(jié)段端部豎桿的連接方式由節(jié)點板栓接改為叉耳型連接，按鉸接構(gòu)造處理。

（3）優(yōu)化節(jié)段中間豎桿的施工過程連接方式，節(jié)點板螺栓分批安裝擰緊，豎桿與人非系統(tǒng)橋面系連接時安裝第1 批螺栓但不擰緊，使豎桿下端形成順橋向鉸接。在上層主橋吊索張拉完成后再擰緊第1批螺栓，同時安裝擰緊其余螺栓，形成固結(jié)構(gòu)造。

4 人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)舒適度分析

本橋下層人非系統(tǒng)屬于輕柔結(jié)構(gòu)，對人非橋梁振動舒適度的分析應(yīng)成為設(shè)計的重點。對于主梁下掛的人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，人致振動引起的振動是行人舒適性問題的主要來源。我國現(xiàn)有人行橋規(guī)范僅針對豎向振動規(guī)定豎向自振頻率不小于3 Hz，針對人非橋梁結(jié)構(gòu)的舒適度分析缺少規(guī)范依據(jù)。本次設(shè)計參考德國《人行橋設(shè)計指南》[4]（以下簡稱“《德國指南》”），采用峰值加速度限值方法來評估人非系統(tǒng)在行人荷載作用下的結(jié)構(gòu)舒適度[5]。這種方法的原理是在人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生人致振動時，利用其所產(chǎn)生的最大加速度評估人非系統(tǒng)的振動響應(yīng)，檢驗在行人荷載作用下的人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)舒適度。

根據(jù)施工圖實際的人非系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段尺寸，采用有限元軟件建立局部模型，見圖3。

圖3 主橋人非系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段有限元模型

通過對模型進行特征值分析，得出結(jié)構(gòu)的第1階振動模態(tài)為側(cè)向振動，頻率3.67 Hz。豎向振動發(fā)生在第9 階模態(tài)，頻率6.63 Hz。參考《德國指南》對人非系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動舒適度進行評估。

《德國指南》中列出了一些重要的設(shè)計工況，每個設(shè)計工況有一個對應(yīng)的交通等級和舒適度等級，詳見表3、表4。

表3 《德國指南》重要的設(shè)計工況說明

表4 《德國指南》中行人舒適度定義 單位：m/s 2

本次設(shè)計中采用最高交通等級TC4，確定最大人群密度d=1.0 P/m2。

在《德國指南》的設(shè)計流程中，所有交通等級的荷載都采用均勻分布的諧波荷載模型，諧波荷載

式中：P×cos（2πfst）是單個行人的諧波荷載。P 是單個行人的荷載幅值，豎向P=280 N，側(cè)向P=35 N。fs為步頻，對于豎向和側(cè)向需分別考慮。豎向振動是由人行走時重心的上下起伏的動力荷載引起，行人正常行走的步頻介于1.6 Hz（慢走）～2.4 Hz（快走）之間。對側(cè)向振動而言，當(dāng)左腳站立邁出右腳時，側(cè)向力指向左面，反之指向右邊。在左右腳各邁出一步后，完成一次循環(huán)，所以側(cè)向步頻大約是豎向步頻的1/2，為0.8～1.2 Hz[6]。t 為行人在人非系統(tǒng)上通行的某個時刻。n'是等效行人密度。

式中：S 為橋面板面積；d 為最大人群密度。ψ 為考慮到步頻接近頻率變化范圍臨界值的概率而引入的折減系數(shù)，保守考慮，ψ=1.0。

利用有限元軟件的時程分析功能，將上述諧波荷載等效為時程函數(shù)施加于結(jié)構(gòu)上，計算出在p（t）荷載作用下各節(jié)點處的加速度幅值，得到結(jié)構(gòu)的最大豎向加速度amax=0.24 m/s2，最大側(cè)向振動加速度amax=0.025 m/s2。根據(jù)表3，可知舒適度級別為CL1。這說明即使在最高的交通等級下，由于人非系統(tǒng)的自振頻率遠大于行人的正常行走步頻，振動不會讓人產(chǎn)生不適感，可以滿足要求。

5 結(jié)語

豐城市紫云大橋跨江段采用雙層布置，通過計算分析，采用設(shè)置構(gòu)造節(jié)段縫、弱化節(jié)段端部豎桿的連接剛度、優(yōu)化人非系統(tǒng)桿件施工步驟等措施，來保證結(jié)構(gòu)的受力滿足要求。同時，通過合理的手段驗算結(jié)構(gòu)振動的峰值加速度，保證人非系統(tǒng)的舒適度滿足要求。最終設(shè)計的下掛人非系統(tǒng)用鋼量指標(biāo)約200 kg/m2，低于上層主梁的結(jié)構(gòu)用量。由此可見，采用下掛的人非系統(tǒng)不僅能夠滿足交通及景觀需求，還能夠節(jié)省工程造價。這種橋梁布置形式可以為市內(nèi)的跨江大橋提供一種新的思路。