肖澤榮

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

福州市金雞山飛虹橋概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析

肖澤榮

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

座落于福州市金雞山公園的飛虹橋是一座提籃式鋼管拱橋。文章闡述了該人行橋的概念設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并采用有限元程序MIDAS/Civil 建立全橋空間計(jì)算模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力性能分析和驗(yàn)算，結(jié)果表明該橋滿足設(shè)計(jì)要求。

X形雙肋拱橋；概念設(shè)計(jì)；有限元

0 引言

飛虹橋位于福州市金雞山公園，該橋是溝通兩座山的人行交通要道，也是福州市慢行系統(tǒng)中的一部分。該橋的原址有一座人行懸索橋，原先的懸索橋，橋面窄小，因年代久遠(yuǎn)成為了危橋，已多年不能通行。因金雞山公園步行道的提升改造，需將此處的人行索橋拆除重建。金雞山公園群山環(huán)繞，山脈優(yōu)美的塑形啟發(fā)設(shè)計(jì)師選用古典但不失時(shí)尚的結(jié)構(gòu)類型——拱式結(jié)構(gòu)。

1 概念設(shè)計(jì)

拱橋總是能令人賞心悅目而又清晰地表達(dá)出它的功能，它極易融入環(huán)境和滿足大家的審美習(xí)慣與需求。在橋梁概念設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先考慮橋位選址的歷史及周圍環(huán)境，充分研究、消化理解和合理應(yīng)用建橋自然條件基礎(chǔ)資料的專題成果，是概念設(shè)計(jì)安全性的基本要求[1]。鋼拱橋的高強(qiáng)輕型等特性能滿足設(shè)計(jì)師對(duì)結(jié)構(gòu)造型的追求，促使鋼拱結(jié)構(gòu)的形式不斷變化與翻新，特別是中小跨的人行橋[2]。

X型雙肋拱也被稱為提籃拱，該結(jié)構(gòu)是一個(gè)三曲率空間結(jié)構(gòu)體系，即在拱軸平面內(nèi)與垂直于平面的拱體兩側(cè)方向都按某種選定的曲率來造型。與其它類型的拱橋相比，提籃式拱橋是將通常的中(下)承式拱式拱橋的拱肋向橋軸線方向傾斜，甚至在拱頂合攏，通過改變拱結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算圖式來有效地增強(qiáng)側(cè)向剛度和抗傾覆穩(wěn)定性[3]。因此，提籃式拱橋具有面外穩(wěn)定性能好、可降低對(duì)拱橋?qū)捒绫认拗?、良好施工穩(wěn)定性和抗震性能、出眾的美學(xué)特征等明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。兩個(gè)呈拋物線型的拱肋在橋跨中部?jī)?nèi)傾，使結(jié)構(gòu)充滿活力，讓觀光者銘記城市發(fā)展的速度。橋梁造型輕盈靈動(dòng)，與金雞山公園濃厚的人文氣息相得益彰。

2 總體布置

飛虹橋位于金雞山公園內(nèi)，本景觀橋東側(cè)為魏杰故居，西側(cè)連接公園休閑道，主拱采用下承提籃式鋼管拱，拱橋計(jì)算跨徑60m，計(jì)算矢高8m，拱肋采用兩根壁厚20mm的D600mm鋼管，吊索采用Φ40mm的40CrNiMoA高強(qiáng)度吊桿，錨固為螺栓錨固。橋面人行道寬2.5m，上部結(jié)構(gòu)主梁采用鋼箱梁，標(biāo)準(zhǔn)寬度6m，截面布置形式為變截面單箱三室，梁高0.7m～1.5m，橋臺(tái)采用重力式鋼筋混凝土U型橋臺(tái)，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁總體布置如圖1～圖2所示。

圖1 橋梁立面圖(單位:cm)

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:cm)

3 主橋上部鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全性及可靠性，采用有限元程序MIDAS/Civil 2015建立全橋空間計(jì)算模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力性能分析及驗(yàn)算。

3.1 空間有限元模型

本文所建立的有限元模型如圖3所示。該有限元模型設(shè)有292個(gè)節(jié)點(diǎn)，417個(gè)單元，其中：拱肋、橋面系橫梁、主橋鋼箱、支撐采用桿系單元，吊桿采用只受拉單元，系桿采用梁?jiǎn)卧?；拱腳與系桿固結(jié)，拱肋和主梁鋼箱銜接圓弧段通過等效剛度剛臂連接在一起，以模擬橋梁真實(shí)邊界條件?？紤]人行荷載為5.0kN/m2。

圖3 主橋空間有限元模型

3.2 主橋鋼結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算

承載力驗(yàn)算荷載組合考慮4種工況：

第1組合為1.2×①+1.4×②+0.98×④；

第2組合為1.2×①+1.4×②+0.98×⑤；

第3組合為1.2×①+1.4×③+0.98×④；

第4組合為1.2×①+1.4×③+0.98×⑤(其中，①恒載，②人群滿載，③人群半跨加載，④環(huán)境升溫25℃，⑤環(huán)境降溫23℃)。荷載組合后得到結(jié)構(gòu)最不利內(nèi)力如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)最不利內(nèi)力

對(duì)結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力最大值進(jìn)行提取，得到拱肋和鋼箱梁體的最大組合應(yīng)力分別為96.8 N/mm2和58.3 N/mm2。由于上部結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，因此分析以應(yīng)力結(jié)果控制，由提出的組合應(yīng)力值，可得各構(gòu)件的應(yīng)力在最不利工況下的應(yīng)力為96.8N/mm2，小于容許應(yīng)力170N/mm2。因此主橋鋼結(jié)構(gòu)承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 主橋風(fēng)荷載作用橫向變形和應(yīng)力計(jì)算

主橋橫向變形荷載工況考慮為：1.0×恒載(自重)+1.4×風(fēng)載，福州地區(qū)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值W0=0.85kN/m2(百年一遇)。計(jì)算可得最大跨中橫向位移為0.011m

拱肋在風(fēng)荷載參與組合作用下的組合應(yīng)力最大值為88N/mm2，小于容許值170N/mm2。

3.4 吊桿計(jì)算

根據(jù)最不利荷載組合得到吊桿作用效應(yīng)如圖4所示，易知跨中吊桿受力最大為83.0kN。吊桿采用40CrNiMoA高強(qiáng)度吊桿，極限拉應(yīng)力為780MPa，其基本構(gòu)造如圖5所示，依據(jù)材料力學(xué)計(jì)算易得吊桿承載能力為979.68kN，遠(yuǎn)大于吊桿所承受的荷載值，因此吊桿設(shè)計(jì)滿足安全驗(yàn)算。

圖4 最不利荷載組合下吊桿拉力

圖5 吊桿大樣圖(單位:mm)

3.5 主橋撓度驗(yàn)算

主橋撓度計(jì)算采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值，考慮恒載(自重)+活載(人行荷載)的影響，橋面系和拱肋的撓度值分別為0.017m和0.062m。人群荷載作用下最大豎向撓度應(yīng)滿足L/600=60/600=0.1m，因此人行橋滿足撓度驗(yàn)算要求。

3.6 主橋穩(wěn)定驗(yàn)算

拱是主要受壓構(gòu)件，穩(wěn)定問題主要是針對(duì)拱肋的穩(wěn)定。第1類穩(wěn)定問題是指：如果拱所承受的荷載達(dá)到一定的臨界值時(shí)，拱的平衡狀態(tài)就會(huì)喪失穩(wěn)定性，或者在豎向平面內(nèi)拱軸線離開原來的純壓對(duì)稱變形狀態(tài)向反對(duì)稱的平面撓曲，即向受壓兼受彎狀態(tài)轉(zhuǎn)化，稱為拱的面內(nèi)屈曲；或者拱軸線傾出豎平面之外，轉(zhuǎn)向空間彎扭的變形狀態(tài)，稱為拱的面外屈曲或拱的側(cè)傾[4]。

穩(wěn)定系數(shù)取決于軸向壓力，因此結(jié)構(gòu)特征值計(jì)算的荷載工況為: 恒載+滿布活載，對(duì)成橋階段下的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。結(jié)構(gòu)面外失穩(wěn)情況如圖6所示，計(jì)算所得面外穩(wěn)定系數(shù)列于表2。

圖6 主橋上部結(jié)構(gòu)面外一階失穩(wěn)

階段穩(wěn)定系數(shù)失穩(wěn)模態(tài)125．87面外雙波失穩(wěn)234．96面外三波失穩(wěn)

由表2可知，第一階穩(wěn)定系數(shù)是25.87>4.0，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié)語

對(duì)于公園景區(qū)內(nèi)的景觀橋梁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師應(yīng)充分研究橋位處周邊景觀及地形的特點(diǎn)。飛虹橋選用了提籃拱結(jié)構(gòu)作為本橋的結(jié)構(gòu)受力體系，橋梁結(jié)構(gòu)與周邊景觀融為一體，該橋建成后已成為金雞山公園一道亮麗的風(fēng)景線，詳見附圖——飛虹橋效果圖。

橋梁結(jié)構(gòu)體系確定后，通過有限元進(jìn)行空間建模受力分析，本橋的主橋鋼結(jié)構(gòu)承載力、風(fēng)荷載作用下的橫向變形和應(yīng)力、吊桿設(shè)計(jì)、撓度驗(yàn)算及第一階穩(wěn)定系數(shù)等均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。因此，該橋的設(shè)計(jì)思路和尺寸構(gòu)造可供這類橋梁設(shè)計(jì)參考。

附圖 飛虹橋效果圖

[1] 項(xiàng)海帆.橋梁概念設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社, 2011.

[2] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋(第二版)[M].北京：人民交通出版社, 2007.

[3] 謝健科, 寧曉駿, 廖運(yùn)河,等.無推力提籃式人行拱橋的設(shè)計(jì)與分析[J].中外公路, 2013, 33(2).

[4] 郭月峰.鋼管混凝土提籃拱橋受力特性分析——泉州市和昌大橋[D].福州：福州大學(xué)，2007.

The conceptual design and structural analyses of Feihong Bridge at the Jinjishan Park in Fuzhou

XIAOZerong

(Fuzhou Planning Design & Research Institute,Fuzhou 350001)

FeihongBridge is a X-shape steel arch bridge and located at the Jinjishan park in Fuzhou.In this thesis, conceptual design features of this footbridge have been discussed.With the Midas/Civil software, the FEA model is established to analyze bridge mechanical performance, the results show that FeihongBridge meets design requirement.

X-Shape steelarchbridge;Conceptual design; Finite element analysis

肖澤榮(1977.11- )，男，高級(jí)工程師。

E-mail:529942757@qq.com

2017-03-17

U44

A

1004-6135(2017)06-0107-03