張紅雷

(華設設計集團股份有限公司，南京 210014)

隨著城市建設不斷推進，河道公園中的人行休閑景觀橋逐漸增多，景觀橋與自然環(huán)境產生呼應關系[1-3]，使通行更方便、舒適，景觀結構也更具美感。橋梁設計時必須協(xié)調好人行景觀橋與周邊環(huán)境的關系，設計河道公園中的人行休閑景觀橋時應遵循“以人民為中心、為城市而設計”的設計理念[4-6]，配合河流兩岸的生態(tài)景觀帶，打造高品質公共空間，實現(xiàn)可觀、可游的設計目標。

風雨廊橋是一種有屋頂?shù)臉蛄?，具有遮陽避雨、供人休憩等用途，并且也是聚會交流和欣賞風景的場所之一。借鑒古代風雨廊橋設計理念，采用現(xiàn)代建筑材料和施工工藝，以城市小品類公共景觀橋為對象，建造生態(tài)景觀休閑廊橋[7-10]，提升公園人文景觀效果。

根據現(xiàn)代化大跨徑城市景觀廊橋的設計需求，提出一種飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋設計方案，廊橋橋面結構采用橢圓曲線形橋面板梁，飛燕式斜拉拱肋采用異形空間曲線鋼管構形，廊橋頂部為馬鞍拋物曲面的透明玻璃頂棚造型，橋面放置花壇和座椅等建筑小品。設計中引入多種曲線元素，使風雨廊橋具有空間曲線之美。

結合某生態(tài)景觀河道公園的休閑廊橋，開展鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋的構形研究，同時進行工程參數(shù)設計，并建立MIDAS有限元模型，進行內力分析和模態(tài)分析研究，以便驗證飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋的結構合理性。

1 構型研究

某生態(tài)景觀河道上需建造一座80 m跨徑的現(xiàn)代化休閑風雨廊橋，該橋采用鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋的結構形式，造型優(yōu)美，可提升河道公園的人文景觀效果。

人行景觀廊橋頂部由馬鞍狀橢圓環(huán)鋼管結構與正交馬鞍面索網結構組成，馬鞍面索網上擱置玻璃頂棚，起到遮風擋雨的功用。

典型的雙曲拋物面(馬鞍面)方程為

(1)

其中，x、y和z為平面直角坐標系三個坐標軸方向上的變量；fx為馬鞍面縱向矢高；fy為馬鞍面橫向矢高；a、b分別為半長和半寬。馬鞍形玻璃頂棚如圖1所示。

圖1 馬鞍形玻璃頂棚

馬鞍形玻璃頂棚下方設置異形空間曲線鋼管構架，彎曲鋼管構成飛燕式斜拉拱肋，異形空間曲線鋼管構架的平面正投影為橢圓圖形，拱肋側立面投影為余弦函數(shù)圖形，依據飛燕式斜拉拱橋的造型，將橢圓形狀鋼管彎曲為W形的飛燕式斜拉拱肋，異形空間拱肋在拱腳處彎曲翹起后形成斜拉索橋塔。

由于馬鞍形玻璃頂棚的支撐點跨徑距離較大，在飛燕式斜拉拱肋上方設置拱形鋼管支架，拱形鋼管支架頂住馬鞍形玻璃頂棚的異形空間曲線鋼管構架，全橋共設置4根拱形鋼管支架。

為放置橋面板并提高異形鋼管飛燕式斜拉拱肋的整體性，在支座附近的斜拉拱肋之間設置2根鋼管支撐梁，全橋共設置4根鋼管支撐梁。異形鋼管飛燕式斜拉拱肋如圖2所示。

圖2 異形鋼管飛燕式斜拉拱肋

異形鋼管飛燕式斜拉拱肋須安裝拱肋間下部系桿拉索及拱肋間上部纜索，以加強結構整體性，形成自平衡結構體系。然后安裝吊索和尾部斜拉索，異形鋼管飛燕式斜拉拱肋懸吊橢圓形橋面板，形成具有馬鞍形玻璃頂棚的鋼管混凝土飛燕式斜拉拱人行景觀廊橋。

為避免下部系桿拉索置于水中阻擋河中行船，鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋設計為中承式飛燕拱橋。該設計方案將拱肋間下部系桿拉索設置在橋面板標高之上，拱肋間系桿拉索兩端錨固于W形的飛燕式斜拉拱肋之中，下部系桿拉索埋置于橋面水泥砂漿找平層之中，橋面水泥砂漿找平層上方鋪設地磚，從而確保系桿拉索的耐久性。

異形鋼管飛燕式斜拉拱肋的下部系桿拉索設置為猶如懸臂梁結構的正彎矩鋼絲纜，異形鋼管飛燕式斜拉拱橋的肋間上部纜索設置為猶如懸臂梁結構的負彎矩鋼絲纜。鋼管混凝土飛燕式斜拉拱設置下部系桿拉索和拱肋間上部纜索后，可大幅提高飛燕式斜拉拱的結構承載力和結構剛度，以便采用浮運拖拉過河的運輸方案。浮運拖拉過河方案中拱肋設置如圖3所示。

圖3 浮運拖拉過河方案中拱肋設置

橋梁設計中引入多種曲線元素，曲線形廊亭橋與彎曲河道景觀帶二者渾然一體，打造休閑和生態(tài)景觀相結合的廊橋建筑，實現(xiàn)可觀、可游的設計理念，提升人文景觀效果。

設計中的馬鞍形頂棚風雨廊橋部分結構簡潔，兼具美感，遠觀為馬鞍形玻璃頂棚的休閑涼亭，近看是曲線造型的景觀廊橋，河道景觀帶與風雨廊橋相得益彰。

2 施工方案

鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋的施工步驟為：①依據雙曲拋物面(馬鞍面)方程下料鋼管，火工煨彎鋼管并將其運輸至施工現(xiàn)場，焊接拼裝形成馬鞍形頂棚鋼管環(huán)，并安裝正交馬鞍面索網，形成馬鞍形頂棚架。②依據余弦函數(shù)方程和雙曲拋物面(馬鞍面)方程，確定異形空間曲線鋼管拱肋的空間軸線，下料鋼管，火工煨彎鋼管并將其運輸至施工現(xiàn)場，焊接拼裝形成異形鋼管飛燕式斜拉拱肋。③現(xiàn)場焊接拼裝異形鋼管飛燕式斜拉拱肋和馬鞍形頂棚架，安裝拱形鋼管支架后，安裝鋼管支撐梁，形成馬鞍形頂棚的飛燕式斜拉拱肋骨架。④安裝拱肋間下部系桿拉索，再安裝拱肋間上部纜索，形成自平衡結構體系，將該結構浮運拖拉過河，放置于水中橋墩之上。⑤鋼管內灌注混凝土，安裝拱橋吊索后，安裝尾部斜拉纜索，懸吊橢圓形橋面，形成馬鞍頂棚的鋼管混凝土飛燕式斜拉拱橋。⑥安裝馬鞍形頂棚的鋼化玻璃，橋面花壇和座椅等建筑小品施工，安裝LED(發(fā)光二極管)路燈并運行使用。馬鞍形頂棚的飛燕式斜拉拱橋如圖4所示。

圖4 馬鞍形頂棚的飛燕式斜拉拱橋

彎曲鋼管構成異形空間曲線鋼管構架的飛燕式斜拉拱肋，作為景觀廊橋的結構骨架。橢圓曲線板梁作為中承式橋面板的結構組成，可種植花草。安裝拱肋間下部系桿拉索和拱肋間上部纜索，形成自平衡結構體系并將其浮運拖拉過河。拱橋吊索和尾部斜拉纜索懸吊橋面，從而懸吊起橢圓曲線形橋面板梁結構。

3 參數(shù)設計

鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋橫跨河道公園景觀河道，橋梁總長為80 m，跨徑為17 m+36 m+17 m。

廊橋的平面正投影為橢圓圖形，該橢圓長軸長度為51 m、寬度為20 m，馬鞍形頂棚鋼管環(huán)采用0.8 m直徑鋼管，鋼管壁厚為12 mm，正交馬鞍面鋼絲索網固定在馬鞍狀橢圓環(huán)形鋼管之上，鍍鋅高強鋼絲纜索直徑為0.08 m，縱向設置9道鋼絲，橫向設置5道鋼絲。

飛燕式斜拉拱肋采用異形空間曲線鋼管構架外形，其平面正投影為橢圓圖形，拱肋側立面投影為余弦函數(shù)圖形，采用0.8 m直徑鋼管，鋼管壁厚為14 mm，內灌C60混凝土。

異形空間曲線鋼管構架的拱腳處，左右兩側均設置2根橫向鋼管作為橋面板的支撐橫梁，橫梁鋼管直徑為0.8 m，鋼管壁厚為16 mm，內灌C40混凝土。

為改善馬鞍形玻璃頂棚的受力性能，支座處設置拱形支撐，拱形支撐放置于異形空間曲線鋼管構架之上，拱形支撐上部頂緊馬鞍狀橢圓環(huán)形鋼管，拱形支撐采用0.4 m直徑鋼管，鋼管壁厚為8 mm，內灌C40混凝土。

馬鞍形玻璃頂棚的飛燕式斜拉拱橋中間設置吊纜索懸吊橢圓形橋面板，尾部設置斜拉纜索懸吊直線段橋面板，吊索和斜拉纜索均采用1 670 MPa的鍍鋅高強鋼絲，吊索和斜拉纜索直徑均為0.16 m，吊索間距為6 m，斜拉纜索間距為5 m。

鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋中央拱肋和尾部翹起的斜拉橋塔之間設置拉索，左右各3根，共計12根，拱肋拉索采用1 670 MPa的鍍鋅高強鋼絲，拉索直徑為0.16 m，設置拉索形成斜拉拱橋結構體系，減少支座不平衡內力，提高飛燕式斜拉拱結構的剛度。

馬鞍形玻璃頂棚的鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的拱腳支座之間設置系桿拉索，共計4根，拱腳拉索采用1 670 MPa的鍍鋅高強鋼絲，拱腳拉索直徑為0.3 m，設置系桿拉索形成飛燕式拱橋結構，減少支座不平衡內力，提高鋼管混凝土斜拉拱橋的承載力。

橋面板由中間橢圓形板和兩端直線形橋面板組成，橋面板采用鋼筋混凝土梁格式加勁梁結構體系，加勁梁高度為1.0 m。MIDAS有限元模型如圖5 所示。

圖5 MIDAS有限元模型

4 豎向荷載作用下的計算結果

依據《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》(CJJ 69—95)對主跨橋面做滿荷加載，考慮到橋面鋪裝層和花壇建筑小品等因素，橋面附加恒荷載采用的均布荷載標準值為10 kN/m2，橋面活荷載采用的均布荷載標準值為5 kN/m2。豎向荷載作用下位移計算結果如圖6所示，應力計算結果如圖7所示。

圖6 豎向荷載作用下位移計算結果(單位：m)

(a) 梁單元應力

(b) 索單元應力圖7 應力計算結果(單位：MPa)

由計算結果可知，最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置，最大撓度為10.5 mm，滿足規(guī)范規(guī)定的1/500限值要求。索單元最大內力為7 214.0 kN，索單元最大應力為583.5 MPa，滿足強度要求。鋼管支架最大內力為58 888.6 kN，鋼管支架最大應力為82.9 MPa，滿足強度要求。

5 模態(tài)計算結果

斜拉纜索是該橋的主要承力結構，建模時以初拉力的形式計入斜拉纜索和吊索的成橋內力。為不遺漏任何振型，分析過程中采用子分塊法求解特征方程，基于MIDAS的非線性靜力分析、應力剛化效應和模態(tài)分析功能，進行自振特性分析。典型模態(tài)如圖8所示。

(a) 1階振型(正對稱豎彎)

(b) 2階振型(反對稱豎彎)

(c) 3階振型(反對稱豎彎)

(d) 4階振型(正對稱側彎)

(e) 9階振型(支架變形)

(f) 15階振型(橋面扭轉)圖8 典型模態(tài)

1階振型為正對稱豎彎，頻率為5.284 Hz；15階振型為扭轉振型，頻率為21.202 Hz。前10階振型以側彎和豎彎振動為主，直到15階才出現(xiàn)正對稱扭轉振型。扭彎頻率比值為4.01，數(shù)值較高，表明結構的抗風穩(wěn)定性較好。

6 穩(wěn)定性分析

利用MIDAS軟件對該橋進行屈曲分析，得到結構穩(wěn)定性系數(shù)。一般情況下，穩(wěn)定性系數(shù)最小時結構發(fā)生失穩(wěn)的可能性最大。前10階屈曲模態(tài)計算結果如表1所示。

表1 前10階屈曲模態(tài)計算結果

由表1可知，該橋的穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值為27.307，滿足《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)范》(GB 50923—2013)中該值須大于4.0的規(guī)定。

分析表明首尾相連的異形鋼管飛燕式斜拉拱肋具有較好的整體性，馬鞍形玻璃頂棚也可作為拱肋間的橫向支撐，其作用猶如K形橫向支撐，因此該橋具有良好的結構穩(wěn)定性。

7 結語

以某80 m景觀河道公園人行橋為工程背景，進行鋼管混凝土飛燕式斜拉拱的人行景觀廊橋構形研究。建立MIDAS有限元模型，進行豎向荷載作用下的內力分析，并開展動力模態(tài)分析，得到以下結論。

(1) 斜拉拱肋采用異形空間曲線鋼管構架，造型美觀；廊橋頂部為雙曲拋物面(馬鞍面)的透明玻璃頂棚造型，可遮風擋雨；橢圓曲線橋面設置花壇、座椅，實現(xiàn)可觀、可游的設計目標。

(2) 異形空間曲線鋼管的空間斜拉拱肋之間設置空間拉索，拱腳之間設置系桿拉索，便于將其浮運拖拉過河。尾部設置斜拉纜索，吊索懸掛橢圓形橋面，形成空間纜索體系，中間拱推力和尾部翹起斜拉拱形橋塔的反方推力互相平衡，構成自平衡結構體系，消除了支座不平衡內力，具有良好的結構受力性能。

(3) 最大豎向位移出現(xiàn)在跨中位置，最大撓度為10.5 mm，滿足規(guī)范規(guī)定的1/500限值要求。索單元最大內力為7 214.0 kN，索單元最大應力為583.5 MPa，滿足強度要求。

(4) 前10階振型以側彎和豎彎振動為主，直到15階才出現(xiàn)正對稱扭轉振型。扭彎頻率比值為4.01，數(shù)值較高，表明結構的抗風穩(wěn)定性較好。

(5) 馬鞍形玻璃頂棚也可作為拱肋間的橫向支撐，其作用猶如K形橫向支撐，該橋的穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值為27.307，說明該橋具有良好的結構穩(wěn)定性。