程利鵬

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

近年來，城市景觀步道項目日益增多，對于濱水步道項目則經(jīng)常需要設置人行橋跨越水系障礙，為滿足景觀要求，橋梁結(jié)構(gòu)需新穎美觀。斜拉橋、懸索橋和拱橋變化多樣，造型豐富，是景觀橋常用橋型；其中拱橋在中小跨徑更具經(jīng)濟性和適用性，常成為人行橋的首選方案[1-5]。本文以國內(nèi)某城市濱水項目實踐，分析一座人行斜跨鋼箱拱橋。

1 工程概況

該人行拱橋跨越現(xiàn)狀水閘口，為斜跨鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)，橋梁總長70m，跨徑組合為（10+50+10）m，主梁高度0.8m，橋梁結(jié)構(gòu)總寬度8.5m，橋面寬5.5m。拱肋及主梁材料均采用鋼結(jié)構(gòu)，吊索采用雙索面非對稱傾斜索面。橋梁總體造型美觀、結(jié)構(gòu)新穎，已成為該景觀步道標志性景點，橋梁效果圖如圖1所示。

圖1 鋼箱斜跨拱橋效果圖

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 總體設計

橋面功能寬度5m，總寬度8m，橋梁總長70m，橋型采用（10+50+10）m斜跨拱橋，橋梁總體圖如圖2所示。

圖2 橋梁立面布置圖（單位：m）

2.2 主拱設計

主拱斜跨跨長52.38m，拱矢高24.0m，拱軸線近似拋物線形。拱肋采用雙肢鋼箱拱結(jié)構(gòu)，雙肢鋼箱拱肋斷面尺寸為高1.6m，寬（0.9+1.0+0.9）m=2.8m。

2.3 主梁設計

主梁梁高1.5m。為避免橋梁浸水后產(chǎn)生較大上浮力，采用雙工字鋼主梁開口斷面。因空間索布置下為滿足橋下凈空，拉索在梁端錨固點須拉到橋梁功能寬度之外，橋面每側(cè)加寬1.25m，橋?qū)捁灿?.0m；雙主梁間距3.6m，挑臂2.2m。鋼橋面板作為主梁上翼緣參與整體受力。每隔3.5m設置1道板式鋼橫梁。

梁端3.5m范圍內(nèi)須設置混凝土壓重，防止端支座出現(xiàn)負反力，壓重荷載100kN/m。

2.4 吊索設計

吊索采用傾斜非對稱雙索面設計，每側(cè)設置吊索8根，吊索采用平行鋼絲拉索，兩端采用銷鉸式錨固構(gòu)造分別與鋼拱和鋼梁連接。

2.5 下部結(jié)構(gòu)及基礎

拱采用6根直徑1.0m的群樁基礎，承臺厚1.5m，承臺上設置混凝土拱座，以分散鋼拱腳受力。

橋臺采用重力式橋臺，每個橋臺下布置4根直徑1.0m的鉆孔灌注樁。

師:還有其他做法嗎？如果從剛才點到直線的本原定義來看的話，我們可以先將點到直線上任意一點的距離表示出來，再求這個距離的最小值即可.要求距離最小值，那么我們可以從什么地方切入呢？(引出目標函數(shù)法)

2.6 支座及擋塊、抗浮構(gòu)造

豎向支撐采用板式橡膠支座。

在橋臺處橫橋向設置混凝土擋塊，擋塊與梁體之間設置彈性橡膠墊塊，防止梁體在正常使用情況及洪水橫向沖擊、橫向地震等情況下的側(cè)移。在橋臺臺身處預埋雙耳板，與鋼梁腹板對齊并銷接，防止洪水情況下梁體上浮。銷釘孔順橋向呈長腰型，滿足正常使用縱向變形要求。在跨中最高點梁體腹板上方適量開氣孔，防止水位上升時兩片鋼梁間形成倒扣盆效應而產(chǎn)生較大浮力。

2.7 其他附屬設施

橋面鋪裝采用5mm厚度彩色陶粒薄層鋪裝；伸縮縫采用簡易鋼板伸縮縫；橋面橫向不設置橫坡，縱橋向中間高，兩側(cè)低，水沿地袱向兩端流入步道排水溝中，橋上不設置泄水孔；欄桿采用鋼制欄桿。為避免橋梁浸水后產(chǎn)生較大上浮力，主梁做成開口斷面，之后兩片工字鋼主梁之間建議不做裝飾，僅在兩側(cè)做，并且兩側(cè)采用的裝飾與主梁之間也應避免形成封閉箱室。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 計算模型

采用midasCivil軟件建立空間有限元模型，拱肋、主梁縱橫梁采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，吊索采用桁架單元模擬，邊界條件設置為拱腳固結(jié)，主梁在橋臺和輔助墩處設置簡支支座。計算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、人群荷載、溫度荷載、基礎變位、風荷載和水流沖擊荷載（100a一遇水位下）。

3.2 索力確定

全橋共16根吊索，每側(cè)8根，按雙索面非對稱布置。為求得較為優(yōu)異的索力計算結(jié)果，根據(jù)主梁梁段自重與吊索豎向分力基本相當?shù)脑瓌t初步確定索力，再進行局部微調(diào)，保證索力的均勻性。所求得成橋階段索力見表1。

表1 成橋索力

從索力的分布可以看出，中間索的索力較小，邊索的索力稍大，但由于設置了輔助墩，邊索與中間索的索力差異較小。

3.3 應力計算

拱肋、主梁在作用基本組合下的應力極值見表2。

表2 主梁主拱應力極值

3.4 位移計算

成橋階段橋梁在恒載、人群活載作用下主要構(gòu)件的位移見表3。

表3 恒活載位移

位移計算結(jié)果表明，拱肋、主梁在人群活載作用下，最大豎向位移為12.7mm，撓跨比為1/3937＜1/600，表明本橋整體剛度較大。主梁在恒活載均產(chǎn)生了一定的水平位移，表明不對稱的拉索布置導致主梁出現(xiàn)了一定的扭轉(zhuǎn)變形，但幅度較小，對結(jié)構(gòu)安全和使用均無影響。

3.5 動力特性分析與屈曲穩(wěn)定分析

橋梁在成橋狀態(tài)下的前7階自振頻率及振型見

表4 。計算結(jié)果表明，主梁一階豎彎自振頻率為3.65Hz，動載試驗的實測值為5.01Hz，實測值/理論值為1.37，即結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論剛度。究其原因，除了材料特性和荷載的微小差異外，橋梁欄桿和抗浮銷鉸（見下文4.2節(jié)詳細論述）對主梁豎向剛度也有較大貢獻。

結(jié)構(gòu)的第一階失穩(wěn)模態(tài)為主梁面內(nèi)失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為29，具有較高的穩(wěn)定系數(shù)，不會成為設計的控制因素。

4 特色設計

4.1 橋面鋪裝

根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-95）要求，人行橋豎向自振頻率不應小于3Hz。人行橋景觀要求高，結(jié)構(gòu)跨度大，造型輕盈，結(jié)構(gòu)基頻往往成為控制因素。本橋采用薄層抗滑耐磨鋪裝，鋪裝總厚度5~6mm，可較大減輕二期恒載質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)基頻。

薄層抗滑耐磨鋪裝是在打砂的鋼橋面板上先后涂刷防腐底漆、樹脂防水層，然后撒布耐磨性能強的硬質(zhì)骨料，通常為金剛砂、陶瓷或?qū)ｉT配制經(jīng)過鍛燒的鋁釩土等材料。黏結(jié)料和骨料能緊密形成一體，且保持良好的抗滑性。由于使用了高硬度骨料，抗磨性、抗滑性及耐久性強，其中骨料可以根據(jù)景觀要求，采用不同顏色材料。薄層抗滑耐磨鋪裝結(jié)構(gòu)見表5。

表5 薄層抗滑耐磨鋪裝結(jié)構(gòu)

薄層抗滑耐磨鋪裝結(jié)構(gòu)應滿足如下技術(shù)要求：鋪裝層與鋼板在25℃下黏結(jié)強度不低于5.0MPa；防水層拉伸強度不低于10.0MPa；在-20℃低溫彎曲試驗下不產(chǎn)生裂縫。同時鋪裝層還應具有良好的耐化學腐蝕性（柴油、汽油、除冰鹽）和良好的抗滑性能。

4.2 抗浮銷鉸

由于本橋設計水位較低，在百年一遇水位下橋梁將處于完全淹沒狀態(tài)，為防止橋梁主梁在洪水及漂浮物的沖擊下發(fā)生偏位甚至落梁，通過在主梁橋臺處設置抗浮銷鉸來解決這一問題?？垢′N鉸限制主梁的豎向及橫向位移，縱向正常溫度伸縮不受影響，具體構(gòu)造如圖3所示。

5 結(jié) 語

本文介紹并分析了人行斜跨鋼箱拱橋的受力，分析結(jié)果表明：

圖3 抗浮銷鉸立面構(gòu)造

（1）人行橋的設計應兼顧結(jié)構(gòu)的安全性、美觀性和耐久性，并因地制宜，綜合考慮各項細節(jié)，才能做到以人為本的橋梁設計。

（2）成橋吊索索力與吊索布置一樣，呈現(xiàn)反對稱的特征，但總體上吊索索力差異不大；主拱和主梁在恒載和活載的作用下，應力和位移均較小，橋梁整體剛度較大。

（3）結(jié)構(gòu)的一階豎彎基頻計算值為3.65Hz，實測值為5.0Hz，結(jié)構(gòu)實際剛度大于理論分析剛度，主要是由于欄桿對結(jié)構(gòu)靜力剛度的貢獻以及抗浮銷鉸對結(jié)構(gòu)豎向振動的約束；結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)較高，穩(wěn)定性好。

（4）由于人行橋橋面板局部荷載小，采用薄層抗滑耐磨鋪裝可以減輕結(jié)構(gòu)的自重，提高結(jié)構(gòu)的基頻；還可自主選擇鋪裝顏色，進一步提高景觀性能。

（5）抗浮銷鉸設計可以有效保障結(jié)構(gòu)的被水位完全淹沒的情況下，橋梁不發(fā)生移位，同時又不會限制靜力狀態(tài)的溫度伸縮。