异形拱人行桥设计

杨昌树，阮 涛，廖 义

（中国市政工程西北设计研究院有限公司贵州分公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

随着我国经济的不断发展、城市的快速建设，城市人行桥的美感在人们生活环境中所产生的精神作用和美学价值越来越引起人们的重视[1-2]，异形人行桥的运用逐渐增多。异形拱桥作为拱桥的一种特殊形式，在结构型式和力学特性上均有别于常规拱桥[3-5]。对一种新型的异形拱人行桥进行分析研究，具有实际的工程意义。

1 工程概况

贵阳市图书馆人行桥作为贵阳市2017年“十件事实”重点项目之一，桥梁位于市图书馆正前面、河滨公园后门处，上跨南明河，桥位处人流量大、周边环境优美，景观要求很高。桥型为单跨梁拱组合桥梁，拱肋采用单拱沿桥面中线左右交错布置，主跨75 m，主梁高度0.6 m，主梁平面为S形弯桥面，桥梁结构总宽8.4 m，桥面宽6 m，拱肋及主梁材料均采用钢结构，吊索采用双面索非对称布置。桥梁具有造型独特、结构美观、受力合理等特点；该桥于2018年建成，现已成为贵阳市地标性建筑物（见图1、图2）。

图1桥梁效果图

图2成桥照片

2 结构设计

2.1 拱肋结构

拱肋计算跨径为75.6 m，计算矢高16.82 m，矢跨比为1/4.5。拱肋为无铰拱，拱肋线形采用圆曲线，拱肋横断面为“倒梯形”箱形截面，截面高度为1 m，截面上缘宽度1 m，下缘宽度0.7 m。拱肋箱室采用钢板焊接成型，顶、底板及腹板厚度均为30 mm，箱室内设置纵向加劲肋，纵向每隔1.5 m设置一道横隔板，横隔板厚度为20 mm，钢材采用Q345C。

拱肋和主梁的跨中预拱度均为3 cm，按二次抛物线向两端过渡。

2.2 主梁结构

主梁采用正交异性板结构，顶板厚度16 mm，在吊索处设置横梁，横梁采用24 mm厚的钢板，高度为60 cm，纵向间距为3 m，横梁两端连接吊杆处设置边纵梁；主梁纵向两侧设置50 cm高的纵梁，中间设置3道30 cm高的次纵梁，顶板横向设置板肋加劲板，间距30 cm。

2.3 吊索

吊索采用双面索，纵向间距为3 m，材料采用双层PE套的平行钢丝束成品索，规格为PESC5-37；钢丝采用环氧喷涂防腐处理，吊索锚具采用冷铸墩头锚，吊索在主梁端设置为张拉端，拱肋端为固定端。

2.4 下部构造

拱座基础采用桩基承台基础，承台长、宽、高尺寸为5.2 m×5.2 m×2.5 m，每个承台下设置4根桩基，桩径为1.2 m，采用人工挖孔桩，桩基按嵌岩桩设计。主梁两端设置桥台，基础为扩大基础，主梁在桥台上按简支梁设置双支座。

3 计算模型

采用midas Civil软件建立空间有限元模型，其中拱肋、主梁纵横梁采用梁单元模拟，吊索采用仅受拉桁架单元模拟，边界条件设置为拱肋拱脚固结，主梁在桥台处设置简支支座。全桥有限元空间模型如图3所示。计算荷载包括结构自重、二期恒载、人群荷载、温度荷载、基础变位、风荷载。

图3 全桥有限元空间模型

4 结构受力分析

4.1 应力计算

成桥阶段拱肋、主梁在作用基本组合下的应力极大值见表1。

表1 应力计算值

应力计算结果表明：拱肋上缘最大拉应力为-140.5 MPa，位于拱脚处；拱肋下缘最大拉应力为-91.8 MPa，位于边吊杆处，区别于常规拱桥拱肋下缘最大拉应力位于拱顶处；最大压应力位于拱脚下缘；主梁最大应力为160.4 MPa，位于边纵梁。应力验算均满足规范要求。

4.2 位移计算

成桥阶段桥梁在恒载+人群荷载作用下主要构件的位移见表2。

表2 位移计算结果

位移计算结果表明：拱肋的最大竖向挠度为34.7 mm，位于拱顶处，挠跨比 1/2178＜1/500；在恒载+人群荷载（偏载）作用下，拱肋在横桥向的最大水平位移为51.8 mm，位于拱顶段，其原因是结构不对称且人群荷载偏载作用引起，同时说明了单拱肋的横向刚度较小。主梁的最大竖向挠度为19.6 mm，位于主梁无吊索区中段，主梁横桥向水平位移很小，主梁横向刚度大。

4.3 索力计算

全桥共布置36根吊索，拱肋两侧各18根，按双索面非对称布置。索力按倒拆法计算调整，成桥索力见表3。

表3 成桥索力

由成桥索力值可知索力具有以下特征：3#～17# 中间吊索索力较为均匀，1#、2#、18#、19#边吊索索力较大，其原因是出于净空及景观方面的要求，边吊索距主梁支座位置的距离较大。索力均为拉力，并未因结构的不对称而出现压力（吊索不受力）；索力纵桥向沿跨中基本对称，横桥向由于结构不对称而索力有差异，差异不大。

4.4 动力特性分析

桥梁在成桥状态下的前5阶自振频率及振型见表4。计算结果表明，一阶竖弯自振频率（基频）计算值为1.83 Hz，动载试验的实测值为2.34 Hz，实测值fmi/计算值fdi=1.24＞0.9，表明结构动刚度满足规范要求。通过分析可知，结构基频实测值大于计算值，结构实际刚度大于理论刚度，主要是由于计算时没有考虑栏杆及铺装对结构刚度的影响。

表4自振频率及振型

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69—1995），该桥不能满足人行桥竖向自振频率不应小于3 Hz的规定。参考国外人行天桥设计规范，为确保结构的安全、舒适，采用了调谐质量阻尼器（TMD）进行减振设计，能满足人致振动舒适度的要求[6-7]。

4.5 稳定性计算

在恒载和人群荷载作为可变荷载工况下，桥梁结构前50阶稳定系数及失稳模态见表5。

表5 稳定系数

稳定性计算结果表明，桥梁结构稳定满足规范要求，最先出现失稳的是桥面系局部失稳，稳定系数为7.85，拱肋及主梁出现整体面外失稳的系数为14.3，说明桥面系稳定性较弱，结构整体稳定性的面内刚度相对面外刚度大，拱肋的横向稳定性较弱。

5 结 语

本文异形拱人行桥结构上具有单拱肋、弯桥面、非对称吊索等特点，结构受力方面主要具有以下主要特点：

（1）拱肋下缘最大拉应力出现在边吊索吊点处，边吊索索力最大，是中吊索索力的3.4倍，中吊索索力比较均匀。

（2）在恒载+人群荷载作用下，拱肋在横桥向的最大水平位移比竖向挠度大，说明单拱肋的横向刚度较小；主梁的最大竖向挠度位于主梁两端无吊索区。

（3）1阶竖弯自振频率（基频）计算值为1.83 Hz，动载试验的实测值为2.34 Hz。通过分析可知，结构基频实测值大于计算值，结构实际刚度大于理论刚度，主要是由于计算时没有考虑栏杆及铺装对结构刚度的影响。鉴于该桥不能满足相应规范要求竖向自振频率不应小于3 Hz的规定，参考国外人行天桥设计规范，采用调谐质量阻尼器（TMD）进行减振设计，能满足人致振动舒适度的要求。

（4）稳定性计算表明桥面系局部失稳最先发生，其次是拱肋面外失稳，最后是拱肋面内失稳，单拱肋面内稳定性较面外稳定性好。