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        濟(jì)南市歷陽(yáng)湖人行鋼桁拱橋設(shè)計(jì)與施工

        2022-09-23 08:07:00付祖良張強(qiáng)強(qiáng)
        城市道橋與防洪 2022年9期
        關(guān)鍵詞:拱圈擋土墻桿件

        付祖良,張強(qiáng)強(qiáng)

        (山東省城建設(shè)計(jì)院,山東 濟(jì)南 250101)

        0 引 言

        為加快濟(jì)南市生態(tài)文明建設(shè),完善旅游要素配套和公共服務(wù)設(shè)施,濟(jì)南市先后在廣場(chǎng)東溝河谷內(nèi)建設(shè)了多處谷坊,形成了歷陽(yáng)湖內(nèi)的景觀水面。為擴(kuò)大市民休閑步行空間,在湖岸新建了景觀游步路。修建歷陽(yáng)湖人行鋼桁拱橋,旨在連接兩岸游步道,方便湖區(qū)休閑游憩,為市民提供一個(gè)良好的游覽健身休閑的場(chǎng)所,提升歷陽(yáng)湖周邊片區(qū)的城市環(huán)境。

        1 工程概況

        歷陽(yáng)湖人行鋼桁拱橋位于濟(jì)南市市中區(qū)旅游路與歷陽(yáng)大街交叉口北側(cè),橋梁跨越廣場(chǎng)東溝,南向連接歷陽(yáng)大街,北向連接金雞嶺山體游步道。橋梁全長(zhǎng)55.28 m,橋面全寬4.5 m。上部結(jié)構(gòu)為上承式鋼桁拱橋。下部結(jié)構(gòu)南側(cè)采用承臺(tái)群樁基礎(chǔ),北側(cè)橋墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.1 上部結(jié)構(gòu)

        橋梁全長(zhǎng)55.28 m,橋梁全寬4.5 m,凈寬4.1 m,主跨為上承式雙主桁鋼桁拱,鋼桁拱下弦拱計(jì)算跨徑為35 m,計(jì)算矢高5 m,計(jì)算矢跨比為1/7,拱圈為高60 cm、寬50 cm焊接箱型桿件,拱軸線為二次拋物線。橋梁橋面縱向?yàn)殡p向1.5%的縱坡接半徑R=500 m的凸豎曲線。為增加橋梁外立面的輪廓層次感,主桁拱外側(cè)均設(shè)置0.5 m的懸臂。橋面系在每個(gè)節(jié)點(diǎn)及兩節(jié)點(diǎn)中間位置均設(shè)置橫梁,梁高0.4 m,間距為1.5~2.25 m。橋面縱肋采用鋼板加勁肋,間距為50 cm。橋梁總體布置見(jiàn)圖1。

        圖1 橋梁立面圖(高程單位:m;尺寸單位:cm)

        鋼桁拱共設(shè)置3處橫向聯(lián)結(jié)系,分別位于拱腳及跨中位置,分別見(jiàn)圖2和圖3。

        圖2 鋼桁拱拱腳橫斷面(單位:cm)

        圖3 鋼桁拱跨中橫斷面(單位:cm)

        橋面鋪裝采用鋼龍骨固定室外用環(huán)保復(fù)合木塑地板,欄桿采用采用SUS304不銹鋼桿件+鋼化夾膠玻璃的形式。橋梁設(shè)置了節(jié)能型LED燈夜景照明。

        2.2 下部結(jié)構(gòu)

        下部結(jié)構(gòu)因地制宜,南岸采用承臺(tái)群樁基礎(chǔ),在歷陽(yáng)大街現(xiàn)狀擋土墻頂設(shè)置帽梁支承鋼梁;北岸橋臺(tái)山體巖石裸露采用擴(kuò)大基礎(chǔ),為避免橋臺(tái)基礎(chǔ)施工破壞裸露巖體,保護(hù)自然環(huán)境,設(shè)置斜撐挑臺(tái)與山體游步道銜接,見(jiàn)圖4和圖5。

        圖4 邊跨斜撐桿(單位:cm)

        圖5 邊跨斜撐桿照片

        3 計(jì)算分析

        橋梁結(jié)構(gòu)采用Midas Civil 2020有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算,弦桿、腹桿及縱橫梁均采用梁?jiǎn)卧M,橋面板采用平面應(yīng)力板單元模擬,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱、橫向計(jì)算分析、驗(yàn)算。建立模型見(jiàn)圖6。

        圖6 計(jì)算模型

        3.1 計(jì)算荷載

        (1)結(jié)構(gòu)自重:鋼材容重采用78.5 kN/m3,鋼筋混凝土容重采用26 kN/m3。

        (2)二期恒載:包括橋面鋪裝、人行護(hù)欄和管線等。橋面鋪裝按2.0 kN/m2考慮;人行護(hù)欄按每側(cè)2 kN/m考慮。

        (3)基礎(chǔ)變位作用:橋臺(tái)基礎(chǔ)豎向最大不均勻沉降差10 mm。

        (4)設(shè)計(jì)人群荷載:取4.5 kPa;橋面板局部構(gòu)件按標(biāo)準(zhǔn)值5.0 kPa的均布荷載或者1.5 kN的集中力進(jìn)行計(jì)算。

        (5)風(fēng)荷載:按濟(jì)南風(fēng)壓100 a一遇考慮,風(fēng)壓為0.5 kN/m2。

        (6)溫度作用:整體升降溫:體系升溫按+25℃考慮,體系降溫按-25℃考慮。溫度梯度:取T1=20℃,T2=6.7℃。

        (7)地震作用:按《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB 18306—2015,抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g,橋梁抗震設(shè)防分類為丁類。根據(jù)《山東省建設(shè)工程抗震設(shè)防條例》規(guī)定,場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度提高一度,抗震設(shè)防烈度按7度考慮,設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g,橋梁抗震設(shè)計(jì)方法選用B類,應(yīng)進(jìn)行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算,并應(yīng)滿足相關(guān)構(gòu)造和抗震措施的要求。

        3.2 計(jì)算分析

        3.2.1 桿件內(nèi)力與應(yīng)力計(jì)算

        桿件內(nèi)力計(jì)算主要考慮桿件在各荷載最不利組合下的最大、最小軸力與彎矩。經(jīng)計(jì)算分析,結(jié)構(gòu)桿件最大軸向力為1 529.5 kN,位于拱圈跨中位置下弦桿。結(jié)構(gòu)桿件最大彎矩為546.1 kN/m,位于拱圈跨腳位置。結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力為98.9 N/mm2,位于拱圈跨腳位置,見(jiàn)圖7。

        圖7 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖(單位:MP a)

        3.2.2 桿件穩(wěn)定性分析

        在假定鋼桁節(jié)點(diǎn)剛結(jié)的條件下,對(duì)全橋進(jìn)行構(gòu)件整體穩(wěn)定分析,主桁弦桿平面內(nèi)和平面外的計(jì)算長(zhǎng)度均取l0;腹桿平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度取0.8 l0,平面外的計(jì)算長(zhǎng)度取l0。

        主桁焊接箱形弦桿屈曲曲線類型均為b類,焊接I形腹桿屈曲曲線類型y軸屈曲方向?yàn)閎類,z軸屈曲方向?yàn)閏類[1]。腹桿軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定折減系數(shù)χ最小值為0.76;弦桿軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定折減系數(shù)χ最小值為0.95。經(jīng)檢算,全部構(gòu)件的強(qiáng)度及整體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

        3.2.3 豎向自振頻率計(jì)算

        根據(jù)計(jì)算,鋼桁拱豎向自振模態(tài)見(jiàn)圖8,豎向自振頻率為10.75 Hz,滿足《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》2.5.4條要求的上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不小于3 Hz的要求[2]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,橋梁上部結(jié)構(gòu)豎向剛度較大。

        圖8 結(jié)構(gòu)豎向自振模態(tài)

        3.2.4 位移計(jì)算

        根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算,跨中最大向上豎向變形度為19 mm,跨中最大向下豎向撓度為5.4 mm,均小于跨度的1/1 600,橋梁不設(shè)置預(yù)拱度。

        3.2.5 整體穩(wěn)定性分析

        采用MIDAS Civil進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性計(jì)算,其中恒載包括結(jié)構(gòu)自重和二期恒載,營(yíng)運(yùn)荷載中,人群荷載按4.5 kN/m2取值。在假定鋼桁節(jié)點(diǎn)剛結(jié)的條件下,對(duì)全橋進(jìn)行靜力穩(wěn)定分析,所得一階屈曲安全系數(shù)為221,其失穩(wěn)形式為端腹桿面外失穩(wěn),見(jiàn)圖9,計(jì)算結(jié)果滿足拱橋的整體彈性穩(wěn)定系數(shù)K大于4.0的要求[3]。

        圖9 一階屈曲模態(tài)

        4 橋梁施工

        橋位處南岸旅游路現(xiàn)狀邊坡為上下兩級(jí)衡重式毛石擋土墻,現(xiàn)狀旅游路人行道至河底高差約15.26 m;北岸為外露巖石山體邊坡,河道下游7m位置設(shè)有5.8 m落差的谷坊。橋位無(wú)施工作業(yè)空間,兩側(cè)基礎(chǔ)落地場(chǎng)地條件復(fù)雜。基礎(chǔ)施工對(duì)現(xiàn)狀擋土墻穩(wěn)定具有一定的影響。橋梁設(shè)計(jì)需綜合考慮高擋土墻邊坡、施工需求、場(chǎng)地條件與環(huán)境保護(hù)、交通影響等。

        橋梁南側(cè)采用承臺(tái)群樁基礎(chǔ),在上下兩級(jí)擋土墻中間人工挖孔成孔,工程施工對(duì)現(xiàn)狀擋土墻整體穩(wěn)定性影響小,避免了對(duì)現(xiàn)狀邊坡的大挖大填的破壞性施工。樁基礎(chǔ)將重力傳至擋土墻下巖層。

        下部結(jié)構(gòu)施工完成后,吊裝上部結(jié)構(gòu)。橋梁主拱圈下弦構(gòu)件工廠制作焊接后,運(yùn)輸至旅游路側(cè)平放置,采用三臺(tái)大型起重機(jī)協(xié)同作業(yè),整體吊裝主跨鋼桁拱下弦,主拱圈下弦先吊起一定高度后空中翻轉(zhuǎn)、后旋轉(zhuǎn)平移、整體吊裝鋼拱圈就位,實(shí)現(xiàn)了拱圈無(wú)支架無(wú)拼裝焊接作業(yè),見(jiàn)圖10。

        圖10 現(xiàn)場(chǎng)吊裝照片

        上部結(jié)構(gòu)采用上承式鋼桁架拱,桁架拱結(jié)構(gòu)自重相對(duì)較輕,剛度大且跨越能力大,便于整體吊裝安裝,通過(guò)調(diào)整矢跨比與拱軸線,合理設(shè)置橋面高程,橋外立面設(shè)置小懸臂挑檐,結(jié)構(gòu)層次錯(cuò)落有致,整體外形簡(jiǎn)潔優(yōu)美,如垂虹臥波;拱上鋼結(jié)構(gòu)均采用工廠制造,大型起重機(jī)吊裝拼裝焊接。

        5 結(jié)語(yǔ)

        (1)歷陽(yáng)湖人行景觀橋選址科學(xué)合理,橋位地質(zhì)條件好、視覺(jué)角度好、河道水面寬度相對(duì)較小,從旅游路東西向或歷陽(yáng)大街南北向遠(yuǎn)觀,視覺(jué)效果均較好。橋梁設(shè)計(jì)方案通過(guò)精心比選與調(diào)整優(yōu)化,減少了工程量,節(jié)省了工程投資,實(shí)現(xiàn)了橋梁與場(chǎng)地環(huán)境的有機(jī)結(jié)合。

        對(duì)于地面與水面高差大、地質(zhì)條件好的位置,選用鋼桁拱橋方案是適宜的;合理開發(fā)利用環(huán)境,新建工程盡量減少對(duì)原有地形地貌的破壞,橋梁建筑與周圍自然環(huán)境和諧統(tǒng)一。歷陽(yáng)湖橋梁整體造型優(yōu)美,在施工期間就廣受關(guān)注,竣工投入使用后,得到了市民、建設(shè)單位與新聞媒體的肯定與贊揚(yáng),項(xiàng)目產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益??⒐ず髮?shí)景見(jiàn)圖11。

        圖11 竣工后實(shí)景

        (2)橋梁結(jié)構(gòu)選擇鋼桁橋方案,鋼桁拱橋結(jié)構(gòu)自重相對(duì)較輕,剛度大,整體外形美觀。鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工工期短,對(duì)周邊交通影響時(shí)間短。橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)采用整體吊裝安裝方案,不但施工不影響河道泄洪,而且解決了橋位處場(chǎng)地條件受限,無(wú)作業(yè)空間的難題,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與施工的良好結(jié)合。

        (3)橋梁北側(cè)設(shè)置鉸軸斜撐懸臂梁,避免了因設(shè)置橋臺(tái)而開挖山體大塊巖石,保護(hù)了自然景觀,降低了施工難度,節(jié)約了工程成本。鉸軸連接的軸向受力斜桿支承,是特定條件下適宜的方案。橋梁拱腳的水平推力有利于現(xiàn)狀擋土墻及邊坡的穩(wěn)定。

        (4)橋梁采用先整體吊裝鋼拱圈,后現(xiàn)澆拱腳混凝土固定拱腳的施工工法,避免了先固定拱腳鋼拱圈后拼裝對(duì)接困難的問(wèn)題。

        (5)鋼拱腳埋入混凝土部分焊接ML15材質(zhì)的M22×200圓柱頭焊釘,并設(shè)置多層鋼筋網(wǎng)局部加強(qiáng),保障了拱腳局部應(yīng)力較大情況的受力安全與良好固接。

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