楊昌樹,阮 濤,廖 義
(中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司貴州分公司,貴州 貴陽 550001)
隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、城市的快速建設(shè),城市人行橋的美感在人們生活環(huán)境中所產(chǎn)生的精神作用和美學(xué)價值越來越引起人們的重視[1-2],異形人行橋的運用逐漸增多。異形拱橋作為拱橋的一種特殊形式,在結(jié)構(gòu)型式和力學(xué)特性上均有別于常規(guī)拱橋[3-5]。對一種新型的異形拱人行橋進(jìn)行分析研究,具有實際的工程意義。
貴陽市圖書館人行橋作為貴陽市2017年“十件事實”重點項目之一,橋梁位于市圖書館正前面、河濱公園后門處,上跨南明河,橋位處人流量大、周邊環(huán)境優(yōu)美,景觀要求很高。橋型為單跨梁拱組合橋梁,拱肋采用單拱沿橋面中線左右交錯布置,主跨75 m,主梁高度0.6 m,主梁平面為S形彎橋面,橋梁結(jié)構(gòu)總寬8.4 m,橋面寬6 m,拱肋及主梁材料均采用鋼結(jié)構(gòu),吊索采用雙面索非對稱布置。橋梁具有造型獨特、結(jié)構(gòu)美觀、受力合理等特點;該橋于2018年建成,現(xiàn)已成為貴陽市地標(biāo)性建筑物(見圖1、圖2)。
圖1橋梁效果圖
圖2成橋照片
拱肋計算跨徑為75.6 m,計算矢高16.82 m,矢跨比為1/4.5。拱肋為無鉸拱,拱肋線形采用圓曲線,拱肋橫斷面為“倒梯形”箱形截面,截面高度為1 m,截面上緣寬度1 m,下緣寬度0.7 m。拱肋箱室采用鋼板焊接成型,頂、底板及腹板厚度均為30 mm,箱室內(nèi)設(shè)置縱向加勁肋,縱向每隔1.5 m設(shè)置一道橫隔板,橫隔板厚度為20 mm,鋼材采用Q345C。
拱肋和主梁的跨中預(yù)拱度均為3 cm,按二次拋物線向兩端過渡。
主梁采用正交異性板結(jié)構(gòu),頂板厚度16 mm,在吊索處設(shè)置橫梁,橫梁采用24 mm厚的鋼板,高度為60 cm,縱向間距為3 m,橫梁兩端連接吊桿處設(shè)置邊縱梁;主梁縱向兩側(cè)設(shè)置50 cm高的縱梁,中間設(shè)置3道30 cm高的次縱梁,頂板橫向設(shè)置板肋加勁板,間距30 cm。
吊索采用雙面索,縱向間距為3 m,材料采用雙層PE套的平行鋼絲束成品索,規(guī)格為PESC5-37;鋼絲采用環(huán)氧噴涂防腐處理,吊索錨具采用冷鑄墩頭錨,吊索在主梁端設(shè)置為張拉端,拱肋端為固定端。
拱座基礎(chǔ)采用樁基承臺基礎(chǔ),承臺長、寬、高尺寸為5.2 m×5.2 m×2.5 m,每個承臺下設(shè)置4根樁基,樁徑為1.2 m,采用人工挖孔樁,樁基按嵌巖樁設(shè)計。主梁兩端設(shè)置橋臺,基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ),主梁在橋臺上按簡支梁設(shè)置雙支座。
采用midas Civil軟件建立空間有限元模型,其中拱肋、主梁縱橫梁采用梁單元模擬,吊索采用僅受拉桁架單元模擬,邊界條件設(shè)置為拱肋拱腳固結(jié),主梁在橋臺處設(shè)置簡支支座。全橋有限元空間模型如圖3所示。計算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、人群荷載、溫度荷載、基礎(chǔ)變位、風(fēng)荷載。
圖3 全橋有限元空間模型
成橋階段拱肋、主梁在作用基本組合下的應(yīng)力極大值見表1。
表1 應(yīng)力計算值
應(yīng)力計算結(jié)果表明:拱肋上緣最大拉應(yīng)力為-140.5 MPa,位于拱腳處;拱肋下緣最大拉應(yīng)力為-91.8 MPa,位于邊吊桿處,區(qū)別于常規(guī)拱橋拱肋下緣最大拉應(yīng)力位于拱頂處;最大壓應(yīng)力位于拱腳下緣;主梁最大應(yīng)力為160.4 MPa,位于邊縱梁。應(yīng)力驗算均滿足規(guī)范要求。
成橋階段橋梁在恒載+人群荷載作用下主要構(gòu)件的位移見表2。
表2 位移計算結(jié)果
位移計算結(jié)果表明:拱肋的最大豎向撓度為34.7 mm,位于拱頂處,撓跨比 1/2178<1/500;在恒載+人群荷載(偏載)作用下,拱肋在橫橋向的最大水平位移為51.8 mm,位于拱頂段,其原因是結(jié)構(gòu)不對稱且人群荷載偏載作用引起,同時說明了單拱肋的橫向剛度較小。主梁的最大豎向撓度為19.6 mm,位于主梁無吊索區(qū)中段,主梁橫橋向水平位移很小,主梁橫向剛度大。
全橋共布置36根吊索,拱肋兩側(cè)各18根,按雙索面非對稱布置。索力按倒拆法計算調(diào)整,成橋索力見表3。
表3 成橋索力
由成橋索力值可知索力具有以下特征:3#~17# 中間吊索索力較為均勻,1#、2#、18#、19#邊吊索索力較大,其原因是出于凈空及景觀方面的要求,邊吊索距主梁支座位置的距離較大。索力均為拉力,并未因結(jié)構(gòu)的不對稱而出現(xiàn)壓力(吊索不受力);索力縱橋向沿跨中基本對稱,橫橋向由于結(jié)構(gòu)不對稱而索力有差異,差異不大。
橋梁在成橋狀態(tài)下的前5階自振頻率及振型見表4。計算結(jié)果表明,一階豎彎自振頻率(基頻)計算值為1.83 Hz,動載試驗的實測值為2.34 Hz,實測值fmi/計算值fdi=1.24>0.9,表明結(jié)構(gòu)動剛度滿足規(guī)范要求。通過分析可知,結(jié)構(gòu)基頻實測值大于計算值,結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度,主要是由于計算時沒有考慮欄桿及鋪裝對結(jié)構(gòu)剛度的影響。
表4自振頻率及振型
根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—1995),該橋不能滿足人行橋豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz的規(guī)定。參考國外人行天橋設(shè)計規(guī)范,為確保結(jié)構(gòu)的安全、舒適,采用了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)進(jìn)行減振設(shè)計,能滿足人致振動舒適度的要求[6-7]。
在恒載和人群荷載作為可變荷載工況下,橋梁結(jié)構(gòu)前50階穩(wěn)定系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)見表5。
表5 穩(wěn)定系數(shù)
穩(wěn)定性計算結(jié)果表明,橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滿足規(guī)范要求,最先出現(xiàn)失穩(wěn)的是橋面系局部失穩(wěn),穩(wěn)定系數(shù)為7.85,拱肋及主梁出現(xiàn)整體面外失穩(wěn)的系數(shù)為14.3,說明橋面系穩(wěn)定性較弱,結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的面內(nèi)剛度相對面外剛度大,拱肋的橫向穩(wěn)定性較弱。
本文異形拱人行橋結(jié)構(gòu)上具有單拱肋、彎橋面、非對稱吊索等特點,結(jié)構(gòu)受力方面主要具有以下主要特點:
(1)拱肋下緣最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在邊吊索吊點處,邊吊索索力最大,是中吊索索力的3.4倍,中吊索索力比較均勻。
(2)在恒載+人群荷載作用下,拱肋在橫橋向的最大水平位移比豎向撓度大,說明單拱肋的橫向剛度較小;主梁的最大豎向撓度位于主梁兩端無吊索區(qū)。
(3)1階豎彎自振頻率(基頻)計算值為1.83 Hz,動載試驗的實測值為2.34 Hz。通過分析可知,結(jié)構(gòu)基頻實測值大于計算值,結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度,主要是由于計算時沒有考慮欄桿及鋪裝對結(jié)構(gòu)剛度的影響。鑒于該橋不能滿足相應(yīng)規(guī)范要求豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz的規(guī)定,參考國外人行天橋設(shè)計規(guī)范,采用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)進(jìn)行減振設(shè)計,能滿足人致振動舒適度的要求。
(4)穩(wěn)定性計算表明橋面系局部失穩(wěn)最先發(fā)生,其次是拱肋面外失穩(wěn),最后是拱肋面內(nèi)失穩(wěn),單拱肋面內(nèi)穩(wěn)定性較面外穩(wěn)定性好。