潘 聰

(長沙市規(guī)劃設計院有限責任公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

隨著經濟和社會的發(fā)展，城市人行天橋除滿足基本通行功能外，還需滿足人們對地標性建筑美學的需要。尼爾森體系拱橋由于構造優(yōu)美，受力明確，逐漸成為城市人行天橋方案的首選。張玉萍，吳游宇等分析了某尼爾森體系拱橋的動力特性，得出了結構抗扭剛度大，容易滿足剛度要求等相關結論；趙佳男，張其林等依托Boulevard橋，基于Midas civil軟件計算了橋梁承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)下的動力特性，總結了尼爾森體系拱橋的受力特點；常柱剛采用數值模擬和現場實測等方法對尼爾森體系提籃拱橋進行分析研究，并與洛澤拱橋進行自振特性對比分析，得出尼爾森體系拱橋基頻較大，斜吊桿式拱橋比豎直吊桿式拱橋整體剛度大的特點。本文以一座尼爾森體系下承式人行景觀橋梁為例，闡述人行景觀橋梁的設計理念、結構設計思路，基于全過程分析方法，論證了尼爾森體系拱橋方案的優(yōu)越性，并對尼爾森體系拱橋進行靜力、動力分析，以期為其余類似情況下的橋梁設計提供參考。

1 工程概況

本次建設的望城區(qū)人行天橋(金星北路)項目位于金星路與銀星路交叉口以北約60 m處。天橋橫跨金星路，聯通了東側的翡翠花園、師大附中星城實驗中學與西側的商業(yè)地塊，使之形成了一個完整的步行體系，方便了行人，激活了風光帶和商業(yè)地塊的活力。

現狀金星路為已建城市主干道，金星北路為望城區(qū)主要交通干線，交通流量大。擬建天橋位置金星北路道路寬度為46 m=2 m(人行道)+5.6 m(輔道)+17.3 m(機動車道)+10.6 m(機動車道)+3 m(側分帶)+5.4 m(混合車道)+2.1 m(人行道)。同時兩側商業(yè)地塊均已開發(fā)完畢，本路段車流及人流量都較大。亟需新建一座過街天橋保障慢行交通安全。

2 橋梁方案設計

2.1 設計構思

根據金星北路的特點，在金星北路上的橋梁必須具備以下三個條件。

(1)跨度大，由于處于交叉口拓寬段位置，因此不能在金星北路道路路幅范圍內設施橋墩。這樣既能減少橋梁施工過程中對金星路通行造成的影響，也能避免后期天橋與金星路交通間的相互影響。

(2)使用便捷。道路上車流24 h一直不間斷，只有使用方便的人行天橋才能讓市民方便使用，真正達到以人為本的目的。

(3)造型美觀。道路上車流量大，每天經過的人數多，在這個位置設置造型美觀的橋梁將會有助于提高整體市容市貌。

(4)本位置人行道位置較窄，為考慮非機動車過街需求，同時減少占地，在橋梁兩側設置無障礙升降梯解決無障礙過街要求。

2.2 橋梁方案

結合現場實際情況，橋梁方案需一跨跨過金星路，跨度較大，同時為盡量減少對周邊用地影響，本次設計方案主要考慮采用鋼結構橋梁，主要為拱橋和梁橋的橋型，斜拉橋和懸索橋由于需要較大占地，本次設計方案未考慮。

(1)方案一

本方案采用尼爾森體系下承式提籃拱橋，該類型拱橋結構輕盈，造型優(yōu)美，跨越能力較大，美化城市環(huán)境。橋梁全長約57 m，跨徑約為51 m，橋梁平面采用工字型布置。橋梁東西兩側設置無障礙電梯。

(2)方案二

本方案采用簡支鋼箱梁橋方案，橋梁全長約57 m，跨徑約為51 m，橋梁設置雙向坡，中間高兩端低，縱坡為1%。雨棚采用圓弧形造型設計，兩側設置無障礙電梯。

(3)方案三

本方案采用簡支鋼桁架橋方案，橋梁全長約50 m，跨徑約為44 m。橋梁設置雙向坡，中間高兩端低，縱坡為1%。兩側設置無障礙電梯。

(4)方案必選

綜合從景觀造型、施工難度、工程造價、對交通影響等方面進行對比，方案一尼爾森體系下承式提籃拱橋結構輕盈，磅礴大氣同時結構用鋼量較小，受力性能較好。因此本次設計方案選用了尼爾森體系提籃拱橋。

3 橋梁結構設計

3.1 橋型及跨徑布置

金星北路環(huán)在該交叉口位置車行道寬度(包括主線、輔道及主輔分隔帶)為46 m，為避免天橋在施工及營運過程中對道路造成影響，本橋一跨跨越金星北路。同時在道路兩側避開已建路燈、電桿及管線。

橋梁全長57.0 m，跨徑為51.0 m。橋梁上部結構采用尼爾森體系提籃式系桿拱橋，矢跨比為1∶6。橋梁設置雙向1%縱坡，保證金星北路機動車道通行凈空不小于5 m。

3.2 斷面布置

橋梁斷面布置需滿足行人通行需求，通過交通分析及預測，確定主橋總寬為5.5 m，通行凈寬為4.5 m。

3.3 結構設計

橋梁上部結構拱肋采用500×540箱形截面，主梁采用500×540箱形截面，系梁采用工字鋼。拉索間距為2 m，傾斜角度為65.2°，拉索采用GJ15-3鋼鉸線整束擠壓成品索。

橋梁下部結構采用鋼管混凝土獨柱墩，直徑800 mm。上部設置鋼蓋梁。每片蓋梁設置六個支座，分別連接主梁及兩側梯道。

兩側樓梯下設直徑500 mm橋墩，底部采用擴大基礎。

3.4 附屬構造

橋面防水：在主梁頂面與橋面鋪裝層之間采用涂刷兩遍HUT-1防水涂料，涂層厚共1.5～2.0 mm。

欄桿：采用鋼化玻璃欄桿。

伸縮縫:設置在梯道梁與主梁相接位置，均采用不銹鋼板內填充瀝青砂作為伸縮裝置。

支座：采用板式橡膠支座，支座墊石采用鋼板。支座四周焊四條直徑12的短鋼筋作為支座限位措施。

橋面鋪裝：主橋橋面采用5 cm厚混凝土+2 cm砂漿+3 cm麻石板貼面，梯道及坡道采用2 cm環(huán)氧砂漿+麻石板貼面。為增加粘接性能，鋼板表面需進行除銹、拋光、拉毛處理。

交通標志：橋上懸掛限高標牌(4.5 m)，橋墩離車道較近時墩身在地面以上1.5 m涂防撞標識。

4 橋梁結構分析

4.1 模型構建

下承式系桿拱橋體系受力復雜，用一般的平面桿系分析方法進行計算，不能全面反映結構的受力特性及傳力途徑，故本橋利用通用有限元軟件MIDAS Civil建立三維空間有限元模型進行計算分析。

采用有限元軟件MIDAS Civil建立全橋三維空間有限元桿系模型，有限元模型如圖1所示，全橋模型共有節(jié)點430個、梁單元469個以及桁架單元44個。

圖1 全橋整體有限元模型圖

4.2 計算荷載

(1)恒載

結構自重(系數:1.2)；橋面鋪裝層；欄桿；頂棚玻璃；斜拉索初拉力。

(2)移動荷載

依據《城市人行天橋與地道技術規(guī)范》(CJJ69-95)3.1.3.2中規(guī)定考慮5.0 KPa人群荷載滿布。

(3)溫度荷載

根據規(guī)范《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)中關于整體升降溫的規(guī)定，長沙市屬溫熱地區(qū)，考慮整體升溫30 ℃，整體降溫30 ℃；并同時考慮拱圈與主梁之間的溫差±20 ℃。

(4)風荷載

根據《公路橋梁抗風設計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)中關于橋梁風荷載的規(guī)定，采用100年重現期的基本風速計算得，基本風壓為0.4 KPa。

(5)雪荷載

根據《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)中關于雪荷載的規(guī)定，采用100年重現期的基本雪壓為0.5 KPa。

(6)基礎沉降：各墩沉降按-5 mm考慮，并以最不利情況組合。

(2)荷載組合

依據規(guī)范《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》(JTG D64-2015)規(guī)定，橋梁構件按承載能力極限狀態(tài)驗算強度和穩(wěn)定性，作用組合效應設計值按現行《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定的基本組合進行計算。

4.3 計算結果

(1)梁截面應力計算

橋面系構件截面最大正應力值為95.7 MPa，最大剪應力值為8.6 MPa；拱肋構件截面最大正應力值為63.4 MPa，最大剪應力值為4.5 MPa；均小于材料Q345C鋼材設計強度值，即全橋鋼結構強度驗算滿足規(guī)范要求。

斜拉索最大拉應力值為254.7 MPa，小于材料1570鋼絞線強度設計值，即全橋斜拉索強度驗算滿足規(guī)范要求。

(2)位移及預拱度計算

橋面系結構豎向位移計算結果如圖2所示。

圖2 全橋恒載豎向位移圖

恒載作用下橋面系結構豎向Dz位移圖(Max=-9.9 mm)

圖3 全橋活載豎向位移圖

人群荷載作用下橋面系結構豎向Dz位移圖(Max=-8.7 mm)

人群荷載作用下，橋跨最大豎向撓度值為8.7 mm，出現在跨中，撓度值小于規(guī)范中規(guī)定限值L/500=50 000/500=100 mm，結構剛度滿足規(guī)范要求。

橋面系預拱度：取恒載效應值加1/2人群活載效應值之和。

(3)支反力計算

圖4 標準組合下支反力示意圖

標準組合(包絡)作用支座最大豎向反力值Fz(Max=952.7 KN)

圖5 考慮風荷載組合下支反力示意圖

(恒載+1.4×橫向風荷載)作用支座最小豎向反力值Fz(Min=554.4 KN)

橋梁結構在荷載標準組合(包絡)作用下，支座最大豎向反力值Fz=952.7 KN；在恒載+1.4×橫向風荷載作用下，支座最小豎向反力值Fz=554.4 KN大于0，即結構橫向抗風穩(wěn)定性滿足設計要求。

(4)穩(wěn)定性分析計算

計算橋跨結構在恒載+活載作用下的臨界荷載系數值，前10階臨界荷載系數值及前3階屈曲模態(tài)如表1所示。

由計算結果可知，最小臨界荷載系數為9.9，滿足規(guī)范要求。

表1 橋跨結構前10階穩(wěn)定系數值

(5)動力特性分析計算

采用“多重Ritz向量法”計算橋梁結構的動力特性，前10階自振特性計算結果如表2所示：

表2 橋跨結構自振頻率

由計算結果可知，該橋梁結構基頻為1.3 Hz，一階豎向振動頻率 (TRAN-Z， ROTN-Y)出現在第4階，即4.12 Hz，滿足規(guī)范要求豎向自振頻率不小于3 Hz。

5 結 論

(1)隨著群眾對景觀需求的提高，城市人行天橋逐漸向造型獨特的結構方向發(fā)展。尼爾森體系拱橋以其輕盈、跨越能力大、造型優(yōu)美、施工方便等特點適用于城市主干道人行天橋。

(2)尼爾森體系橋梁結構應選用適用的結構體系及布置形式，充分利用結構特點，發(fā)揮材料性能。

(3)尼爾森體系拱橋結構計算時需考慮結構的空間效應，計算模型應建立空間有限元模型。并根據規(guī)范要求，進行各項驗算。驗算結構表明，本體系橋梁結構剛度大，受力性能良好，整體經濟性良好，景觀造型優(yōu)美。