趙怡琳

(廈門(mén)中平公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司)

異型混凝土人行橋設(shè)計(jì)與分析

趙怡琳

(廈門(mén)中平公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司)

以福鼎市潮音大橋工程設(shè)計(jì)為背景，詳細(xì)介紹該異型混凝土人行橋的總體設(shè)計(jì)，并利用梁格法計(jì)算結(jié)構(gòu)受力，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的自振頻率以及地震作用下的受力狀態(tài)。計(jì)算和分析結(jié)果表明，在靜力、動(dòng)力計(jì)算中結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力與自振頻率等均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、可靠。

異型橋梁;梁格法;設(shè)計(jì)計(jì)算;分析;人行橋

1 工程概況

本橋位于福鼎市，福鼎市位于福建省東北部，與浙江溫州毗鄰，是閩東南通往浙江乃至長(zhǎng)江三角洲的“北大門(mén)”，三面環(huán)山，一面臨海。潮音大橋橫跨桐山溪，連接中央大道與江濱南大道，桐山溪的兩岸分別是山水名都、鉑金華城與濱江時(shí)代城、百勝新區(qū)板塊，大橋的建立，對(duì)于桐山溪兩岸的互補(bǔ)、交流有著至關(guān)重要的作用。

全橋?yàn)橐宦?lián)30+3×40+30 m，全長(zhǎng)180 m，橋梁兩端接觀景平臺(tái)。普通的人行橋多以鋼箱梁、鋼桁架、簡(jiǎn)單混凝土橋梁為主，潮音大橋突出景觀效果和觀景功能，本橋上部結(jié)構(gòu)采用“X”型預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆箱梁，分叉處橋面寬度為6 m，橋梁中心處橋?qū)挒?0 m，外側(cè)平面半徑為200 m，為了減小阻水面，下部橋墩采用圓端形板式墩，橋臺(tái)采用樁柱式臺(tái)，基礎(chǔ)鉆孔灌柱樁基礎(chǔ)。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100年;

(2)設(shè)計(jì)安全等級(jí):二級(jí);

(3)設(shè)計(jì)荷載:人群荷載:5.0 kN/m2;

(4)設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度:0.05 g，抗震設(shè)防烈度為6度，按B類(lèi)設(shè)防，設(shè)防措施等級(jí)為7級(jí);

(5)環(huán)境類(lèi)別:Ⅱ類(lèi)濱海環(huán)境;

(6)防潮標(biāo)準(zhǔn):1/100。

3 結(jié)構(gòu)布置

主橋上部采用30+3×40+30 m“X”型預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，箱梁頂面寬度邊跨處6 m、中跨跨中10 m，懸臂長(zhǎng)度1.25 m，橋面頂板橫坡通過(guò)腹板高度變化調(diào)整，頂板橫坡為雙向1.0%。箱梁邊腹板處梁高為1.6 m不變，其他各處梁高按橫向坡度進(jìn)行變化，邊跨為單向坡，其他各跨為雙向坡。頂板厚0.25 m，底板厚 0.25 m，腹板厚 0.45 m，支點(diǎn)腹板厚0.6 m。箱梁在墩頂及伸縮縫處設(shè)置橫隔梁，端支點(diǎn)處橫隔梁厚 1.0 m，1#、4#墩頂處橫隔梁厚 2.0 m，2#、3#墩頂處橫隔梁厚1.8 m。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 計(jì)算模型的劃分

整體結(jié)構(gòu)分析程序采用MIDAS/Civil的梁格法。梁格法的特點(diǎn)是用等效的梁格來(lái)代替橋梁上部結(jié)構(gòu)，縱向梁格代表上部結(jié)構(gòu)的縱向結(jié)構(gòu)，縱向剛度集中在縱向梁格中，橫向梁格代表上部結(jié)構(gòu)的橫向結(jié)構(gòu)，橫向剛度集中在橫向梁格中，縱橫梁格的截面特征根據(jù)其所代表的結(jié)構(gòu)和實(shí)際受力變形情況進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)結(jié)構(gòu)原形和等效梁格承受相同的荷載時(shí)，它們的撓曲變形相等，因此梁格的受力狀態(tài)接近于實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。對(duì)于薄壁封閉箱形結(jié)構(gòu)，采用剪力-柔性梁格法可得出滿意的結(jié)果:全橋共分為1 134個(gè)單元，867個(gè)節(jié)點(diǎn)，梁格計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 潮音大橋梁格計(jì)算模型圖

如圖1所示，本文共采用7道縱梁與4道虛擬縱梁(加載欄桿荷載)模擬整個(gè)橋梁，潮音橋突出的特點(diǎn)為曲線梁橋，且截面加寬與分叉，平面計(jì)算已無(wú)法有效的模擬結(jié)構(gòu)，必須采用空間結(jié)構(gòu)算法。施工采用滿堂支架分階段施工，節(jié)段劃分詳見(jiàn)圖2。

圖2 施工節(jié)段劃分示意圖

4.2 靜力計(jì)算結(jié)果分析

混凝土橋梁在服役過(guò)程當(dāng)中，恒載(不包括預(yù)應(yīng)力)內(nèi)力占相當(dāng)大部分的比例，對(duì)于混凝土異型橋梁的恒載內(nèi)力分配，應(yīng)給予足夠的重視，本文中工程實(shí)例較為復(fù)雜，且橋面寬度變化較大，增加了腹板，對(duì)于預(yù)應(yīng)力的配置就提出了更嚴(yán)格的要求，恒載內(nèi)力詳見(jiàn)圖3。

由上圖可以看出，0#肋在腹板增加的區(qū)域內(nèi)力變化較大，1#肋內(nèi)力變化與一般連續(xù)梁內(nèi)力變化類(lèi)似，因此主要的配筋難點(diǎn)應(yīng)為0#肋以及2#肋，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)可以得到，在0#肋在腹板增加的區(qū)域，鋼束二次力反向較大，對(duì)于抵消恒載內(nèi)力非常有效，另外，活載內(nèi)力分布與恒載內(nèi)力分布非常相似。

圖4可以看出，活載位移曲線變化連續(xù)，且最大值出現(xiàn)在次邊跨，最大的撓度值為14.3 mm，城市人行天橋規(guī)范中規(guī)定梁板式主跨跨中撓度允許值為計(jì)算跨徑的1/600，大約為67 mm，撓度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，說(shuō)明本文中橋梁的剛度足夠大，且較為保守。

圖3 恒載作用下各縱梁內(nèi)力圖(單位:KN·m)

圖4 活載作用下各縱梁位移圖(單位:mm)

表1 主梁應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表(單位:MPa)

由表1可以看出，1#肋上緣在短期效應(yīng)組合下最大拉應(yīng)力較大，富余量較小，主要發(fā)生在墩頂位置，下緣應(yīng)力在長(zhǎng)期效應(yīng)和短期效應(yīng)組合下均大于0，滿足規(guī)范要求，且富余量較大;壓應(yīng)力上緣較大，富余量較小，下緣儲(chǔ)備較大;從拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的分布和大小判斷，由于橋面變寬和分叉，預(yù)應(yīng)力配置時(shí)交叉較大，且預(yù)應(yīng)力線形受很大控制，預(yù)應(yīng)力二次力造成應(yīng)力不平整，總體看來(lái)，預(yù)應(yīng)力的配置雖然滿足了規(guī)范的要求，但是拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的儲(chǔ)備都較小，存在優(yōu)化的余地。

4.3 動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析

(1)自振頻率。將結(jié)構(gòu)自重和二期恒載轉(zhuǎn)換成質(zhì)量，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)基頻及周期，得出箱梁第一階豎向振動(dòng)f=4.49 Hz，T=0.22 s，滿足《人行天橋規(guī)范》中第一階豎向振動(dòng)頻率不能小于3 Hz的要求。

(2)地震計(jì)算。福鼎市地處東南沿海地震帶，是地震活動(dòng)較為強(qiáng)烈的地區(qū)，還會(huì)受到臺(tái)灣這一環(huán)太平洋地震帶的影響，歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多次破壞性地震，現(xiàn)為國(guó)家地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)之一，根據(jù)抗震規(guī)范福鼎市處于6度設(shè)防，根據(jù)橋梁類(lèi)型、場(chǎng)地、分區(qū)特征周期，圖5為E1設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

圖5 E1設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

輸入程序，并模擬了樁土共同作用，得到0#肋內(nèi)力圖，如圖6。

圖6 E1地震作用下0#肋X/Y彎矩圖(單位:KN·m)

可以看出，地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)影響很小，縱向地震對(duì)墩底產(chǎn)生最大彎矩375 kN·m，橫向地震對(duì)墩底產(chǎn)生最大彎矩608 kN·m;經(jīng)組合計(jì)算橋墩的強(qiáng)度和裂縫均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)異形X箱梁，活載與恒載內(nèi)力分布相近。

(2)混凝土人行天橋結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，撓度及結(jié)構(gòu)基頻不是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

(3)異形橋梁受預(yù)應(yīng)力配置及約束布置的影響較大，設(shè)計(jì)中應(yīng)按多種配束及支座布置方案計(jì)算，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(4)地震對(duì)于X結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)較小，不是控制設(shè)計(jì)的主要因素。

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U442

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1008-3383(2013)03-0109-02

2012-12-28

趙怡琳(1979-)，男，福建霞浦人，工程師，研究方向:橋梁工程。