濟南市歷陽湖人行鋼桁拱橋設計與施工

付祖良，張強強

（山東省城建設計院，山東 濟南 250101）

0 引 言

為加快濟南市生態文明建設，完善旅游要素配套和公共服務設施，濟南市先后在廣場東溝河谷內建設了多處谷坊，形成了歷陽湖內的景觀水面。為擴大市民休閑步行空間，在湖岸新建了景觀游步路。修建歷陽湖人行鋼桁拱橋，旨在連接兩岸游步道，方便湖區休閑游憩，為市民提供一個良好的游覽健身休閑的場所，提升歷陽湖周邊片區的城市環境。

1 工程概況

歷陽湖人行鋼桁拱橋位于濟南市市中區旅游路與歷陽大街交叉口北側，橋梁跨越廣場東溝，南向連接歷陽大街，北向連接金雞嶺山體游步道。橋梁全長55.28 m，橋面全寬4.5 m。上部結構為上承式鋼桁拱橋。下部結構南側采用承臺群樁基礎，北側橋墩采用擴大基礎。

2 結構設計

2.1 上部結構

橋梁全長55.28 m，橋梁全寬4.5 m，凈寬4.1 m，主跨為上承式雙主桁鋼桁拱，鋼桁拱下弦拱計算跨徑為35 m，計算矢高5 m，計算矢跨比為1/7，拱圈為高60 cm、寬50 cm焊接箱型桿件，拱軸線為二次拋物線。橋梁橋面縱向為雙向1.5%的縱坡接半徑R=500 m的凸豎曲線。為增加橋梁外立面的輪廓層次感，主桁拱外側均設置0.5 m的懸臂。橋面系在每個節點及兩節點中間位置均設置橫梁，梁高0.4 m，間距為1.5～2.25 m。橋面縱肋采用鋼板加勁肋，間距為50 cm。橋梁總體布置見圖1。

圖1 橋梁立面圖（高程單位：m；尺寸單位：cm）

鋼桁拱共設置3處橫向聯結系，分別位于拱腳及跨中位置，分別見圖2和圖3。

圖2 鋼桁拱拱腳橫斷面（單位：cm）

圖3 鋼桁拱跨中橫斷面（單位：cm）

橋面鋪裝采用鋼龍骨固定室外用環保復合木塑地板，欄桿采用采用SUS304不銹鋼桿件+鋼化夾膠玻璃的形式。橋梁設置了節能型LED燈夜景照明。

2.2 下部結構

下部結構因地制宜，南岸采用承臺群樁基礎，在歷陽大街現狀擋土墻頂設置帽梁支承鋼梁；北岸橋臺山體巖石裸露采用擴大基礎，為避免橋臺基礎施工破壞裸露巖體，保護自然環境，設置斜撐挑臺與山體游步道銜接，見圖4和圖5。

圖4 邊跨斜撐桿（單位：cm）

圖5 邊跨斜撐桿照片

3 計算分析

橋梁結構采用Midas Civil 2020有限元軟件進行建模計算，弦桿、腹桿及縱橫梁均采用梁單元模擬，橋面板采用平面應力板單元模擬，對橋梁結構進行縱、橫向計算分析、驗算。建立模型見圖6。

圖6 計算模型

3.1 計算荷載

（1）結構自重：鋼材容重采用78.5 kN/m3，鋼筋混凝土容重采用26 kN/m3。

（2）二期恒載：包括橋面鋪裝、人行護欄和管線等。橋面鋪裝按2.0 kN/m2考慮；人行護欄按每側2 kN/m考慮。

（3）基礎變位作用：橋臺基礎豎向最大不均勻沉降差10 mm。

（4）設計人群荷載：取4.5 kPa；橋面板局部構件按標準值5.0 kPa的均布荷載或者1.5 kN的集中力進行計算。

（5）風荷載：按濟南風壓100 a一遇考慮，風壓為0.5 kN/m2。

（6）溫度作用：整體升降溫：體系升溫按+25℃考慮，體系降溫按-25℃考慮。溫度梯度：取T1=20℃，T2=6.7℃。

（7）地震作用：按《中國地震動參數區劃圖》GB 18306—2015，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，橋梁抗震設防分類為丁類。根據《山東省建設工程抗震設防條例》規定，場地抗震設防烈度提高一度，抗震設防烈度按7度考慮，設計基本地震動峰值加速度值為0.10g，橋梁抗震設計方法選用B類，應進行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗算，并應滿足相關構造和抗震措施的要求。

3.2 計算分析

3.2.1 桿件內力與應力計算

桿件內力計算主要考慮桿件在各荷載最不利組合下的最大、最小軸力與彎矩。經計算分析，結構桿件最大軸向力為1 529.5 kN，位于拱圈跨中位置下弦桿。結構桿件最大彎矩為546.1 kN/m，位于拱圈跨腳位置。結構桿件最大應力為98.9 N/mm2，位于拱圈跨腳位置，見圖7。

圖7 梁單元應力圖（單位：MP a）

3.2.2 桿件穩定性分析

在假定鋼桁節點剛結的條件下，對全橋進行構件整體穩定分析，主桁弦桿平面內和平面外的計算長度均取l0；腹桿平面內的計算長度取0.8 l0，平面外的計算長度取l0。

主桁焊接箱形弦桿屈曲曲線類型均為b類，焊接I形腹桿屈曲曲線類型y軸屈曲方向為b類，z軸屈曲方向為c類[1]。腹桿軸心受壓構件整體穩定折減系數χ最小值為0.76；弦桿軸心受壓構件整體穩定折減系數χ最小值為0.95。經檢算，全部構件的強度及整體穩定均滿足規范要求。

3.2.3 豎向自振頻率計算

根據計算，鋼桁拱豎向自振模態見圖8，豎向自振頻率為10.75 Hz，滿足《城市人行天橋與人行地道技術規范》2.5.4條要求的上部結構豎向自振頻率不小于3 Hz的要求[2]。根據計算結果可知，橋梁上部結構豎向剛度較大。

圖8 結構豎向自振模態

3.2.4 位移計算

根據結構計算，跨中最大向上豎向變形度為19 mm，跨中最大向下豎向撓度為5.4 mm，均小于跨度的1/1 600，橋梁不設置預拱度。

3.2.5 整體穩定性分析

采用MIDAS Civil進行結構的靜力穩定性計算，其中恒載包括結構自重和二期恒載，營運荷載中，人群荷載按4.5 kN/m2取值。在假定鋼桁節點剛結的條件下，對全橋進行靜力穩定分析，所得一階屈曲安全系數為221，其失穩形式為端腹桿面外失穩，見圖9，計算結果滿足拱橋的整體彈性穩定系數K大于4.0的要求[3]。

圖9 一階屈曲模態

4 橋梁施工

橋位處南岸旅游路現狀邊坡為上下兩級衡重式毛石擋土墻，現狀旅游路人行道至河底高差約15.26 m；北岸為外露巖石山體邊坡，河道下游7m位置設有5.8 m落差的谷坊。橋位無施工作業空間，兩側基礎落地場地條件復雜。基礎施工對現狀擋土墻穩定具有一定的影響。橋梁設計需綜合考慮高擋土墻邊坡、施工需求、場地條件與環境保護、交通影響等。

橋梁南側采用承臺群樁基礎，在上下兩級擋土墻中間人工挖孔成孔，工程施工對現狀擋土墻整體穩定性影響小，避免了對現狀邊坡的大挖大填的破壞性施工。樁基礎將重力傳至擋土墻下巖層。

下部結構施工完成后，吊裝上部結構。橋梁主拱圈下弦構件工廠制作焊接后，運輸至旅游路側平放置，采用三臺大型起重機協同作業，整體吊裝主跨鋼桁拱下弦，主拱圈下弦先吊起一定高度后空中翻轉、后旋轉平移、整體吊裝鋼拱圈就位，實現了拱圈無支架無拼裝焊接作業，見圖10。

圖10 現場吊裝照片

上部結構采用上承式鋼桁架拱，桁架拱結構自重相對較輕，剛度大且跨越能力大，便于整體吊裝安裝，通過調整矢跨比與拱軸線，合理設置橋面高程，橋外立面設置小懸臂挑檐，結構層次錯落有致，整體外形簡潔優美，如垂虹臥波；拱上鋼結構均采用工廠制造，大型起重機吊裝拼裝焊接。

5 結語

（1）歷陽湖人行景觀橋選址科學合理，橋位地質條件好、視覺角度好、河道水面寬度相對較小，從旅游路東西向或歷陽大街南北向遠觀，視覺效果均較好。橋梁設計方案通過精心比選與調整優化，減少了工程量，節省了工程投資，實現了橋梁與場地環境的有機結合。

對于地面與水面高差大、地質條件好的位置，選用鋼桁拱橋方案是適宜的；合理開發利用環境，新建工程盡量減少對原有地形地貌的破壞，橋梁建筑與周圍自然環境和諧統一。歷陽湖橋梁整體造型優美，在施工期間就廣受關注，竣工投入使用后，得到了市民、建設單位與新聞媒體的肯定與贊揚，項目產生了良好的經濟效益、社會效益和環境效益。竣工后實景見圖11。

圖11 竣工后實景

（2）橋梁結構選擇鋼桁橋方案，鋼桁拱橋結構自重相對較輕，剛度大，整體外形美觀。鋼結構現場施工工期短，對周邊交通影響時間短。橋梁上部鋼結構采用整體吊裝安裝方案，不但施工不影響河道泄洪，而且解決了橋位處場地條件受限，無作業空間的難題，實現了設計與施工的良好結合。

（3）橋梁北側設置鉸軸斜撐懸臂梁，避免了因設置橋臺而開挖山體大塊巖石，保護了自然景觀，降低了施工難度，節約了工程成本。鉸軸連接的軸向受力斜桿支承，是特定條件下適宜的方案。橋梁拱腳的水平推力有利于現狀擋土墻及邊坡的穩定。

（4）橋梁采用先整體吊裝鋼拱圈，后現澆拱腳混凝土固定拱腳的施工工法，避免了先固定拱腳鋼拱圈后拼裝對接困難的問題。

（5）鋼拱腳埋入混凝土部分焊接ML15材質的M22×200圓柱頭焊釘，并設置多層鋼筋網局部加強，保障了拱腳局部應力較大情況的受力安全與良好固接。