城市天桥中尼尔森体系下承式拱桥的应用研究

潘 聪

(长沙市规划设计院有限责任公司，湖南 长沙 410000)

0 引 言

随着经济和社会的发展，城市人行天桥除满足基本通行功能外，还需满足人们对地标性建筑美学的需要。尼尔森体系拱桥由于构造优美，受力明确，逐渐成为城市人行天桥方案的首选。张玉萍，吴游宇等分析了某尼尔森体系拱桥的动力特性，得出了结构抗扭刚度大，容易满足刚度要求等相关结论；赵佳男，张其林等依托Boulevard桥，基于Midas civil软件计算了桥梁承载能力极限状态及正常使用极限状态下的动力特性，总结了尼尔森体系拱桥的受力特点；常柱刚采用数值模拟和现场实测等方法对尼尔森体系提篮拱桥进行分析研究，并与洛泽拱桥进行自振特性对比分析，得出尼尔森体系拱桥基频较大，斜吊杆式拱桥比竖直吊杆式拱桥整体刚度大的特点。本文以一座尼尔森体系下承式人行景观桥梁为例，阐述人行景观桥梁的设计理念、结构设计思路，基于全过程分析方法，论证了尼尔森体系拱桥方案的优越性，并对尼尔森体系拱桥进行静力、动力分析，以期为其余类似情况下的桥梁设计提供参考。

1 工程概况

本次建设的望城区人行天桥(金星北路)项目位于金星路与银星路交叉口以北约60 m处。天桥横跨金星路，联通了东侧的翡翠花园、师大附中星城实验中学与西侧的商业地块，使之形成了一个完整的步行体系，方便了行人，激活了风光带和商业地块的活力。

现状金星路为已建城市主干道，金星北路为望城区主要交通干线，交通流量大。拟建天桥位置金星北路道路宽度为46 m=2 m(人行道)+5.6 m(辅道)+17.3 m(机动车道)+10.6 m(机动车道)+3 m(侧分带)+5.4 m(混合车道)+2.1 m(人行道)。同时两侧商业地块均已开发完毕，本路段车流及人流量都较大。亟需新建一座过街天桥保障慢行交通安全。

2 桥梁方案设计

2.1 设计构思

根据金星北路的特点，在金星北路上的桥梁必须具备以下三个条件。

(1)跨度大，由于处于交叉口拓宽段位置，因此不能在金星北路道路路幅范围内设施桥墩。这样既能减少桥梁施工过程中对金星路通行造成的影响，也能避免后期天桥与金星路交通间的相互影响。

(2)使用便捷。道路上车流24 h一直不间断，只有使用方便的人行天桥才能让市民方便使用，真正达到以人为本的目的。

(3)造型美观。道路上车流量大，每天经过的人数多，在这个位置设置造型美观的桥梁将会有助于提高整体市容市貌。

(4)本位置人行道位置较窄，为考虑非机动车过街需求，同时减少占地，在桥梁两侧设置无障碍升降梯解决无障碍过街要求。

2.2 桥梁方案

结合现场实际情况，桥梁方案需一跨跨过金星路，跨度较大，同时为尽量减少对周边用地影响，本次设计方案主要考虑采用钢结构桥梁，主要为拱桥和梁桥的桥型，斜拉桥和悬索桥由于需要较大占地，本次设计方案未考虑。

(1)方案一

本方案采用尼尔森体系下承式提篮拱桥，该类型拱桥结构轻盈，造型优美，跨越能力较大，美化城市环境。桥梁全长约57 m，跨径约为51 m，桥梁平面采用工字型布置。桥梁东西两侧设置无障碍电梯。

(2)方案二

本方案采用简支钢箱梁桥方案，桥梁全长约57 m，跨径约为51 m，桥梁设置双向坡，中间高两端低，纵坡为1%。雨棚采用圆弧形造型设计，两侧设置无障碍电梯。

(3)方案三

本方案采用简支钢桁架桥方案，桥梁全长约50 m，跨径约为44 m。桥梁设置双向坡，中间高两端低，纵坡为1%。两侧设置无障碍电梯。

(4)方案必选

综合从景观造型、施工难度、工程造价、对交通影响等方面进行对比，方案一尼尔森体系下承式提篮拱桥结构轻盈，磅礴大气同时结构用钢量较小，受力性能较好。因此本次设计方案选用了尼尔森体系提篮拱桥。

3 桥梁结构设计

3.1 桥型及跨径布置

金星北路环在该交叉口位置车行道宽度(包括主线、辅道及主辅分隔带)为46 m，为避免天桥在施工及营运过程中对道路造成影响，本桥一跨跨越金星北路。同时在道路两侧避开已建路灯、电杆及管线。

桥梁全长57.0 m，跨径为51.0 m。桥梁上部结构采用尼尔森体系提篮式系杆拱桥，矢跨比为1∶6。桥梁设置双向1%纵坡，保证金星北路机动车道通行净空不小于5 m。

3.2 断面布置

桥梁断面布置需满足行人通行需求，通过交通分析及预测，确定主桥总宽为5.5 m，通行净宽为4.5 m。

3.3 结构设计

桥梁上部结构拱肋采用500×540箱形截面，主梁采用500×540箱形截面，系梁采用工字钢。拉索间距为2 m，倾斜角度为65.2°，拉索采用GJ15-3钢铰线整束挤压成品索。

桥梁下部结构采用钢管混凝土独柱墩，直径800 mm。上部设置钢盖梁。每片盖梁设置六个支座，分别连接主梁及两侧梯道。

两侧楼梯下设直径500 mm桥墩，底部采用扩大基础。

3.4 附属构造

桥面防水：在主梁顶面与桥面铺装层之间采用涂刷两遍HUT-1防水涂料，涂层厚共1.5～2.0 mm。

栏杆：采用钢化玻璃栏杆。

伸缩缝:设置在梯道梁与主梁相接位置，均采用不锈钢板内填充沥青砂作为伸缩装置。

支座：采用板式橡胶支座，支座垫石采用钢板。支座四周焊四条直径12的短钢筋作为支座限位措施。

桥面铺装：主桥桥面采用5 cm厚混凝土+2 cm砂浆+3 cm麻石板贴面，梯道及坡道采用2 cm环氧砂浆+麻石板贴面。为增加粘接性能，钢板表面需进行除锈、抛光、拉毛处理。

交通标志：桥上悬挂限高标牌(4.5 m)，桥墩离车道较近时墩身在地面以上1.5 m涂防撞标识。

4 桥梁结构分析

4.1 模型构建

下承式系杆拱桥体系受力复杂，用一般的平面杆系分析方法进行计算，不能全面反映结构的受力特性及传力途径，故本桥利用通用有限元软件MIDAS Civil建立三维空间有限元模型进行计算分析。

采用有限元软件MIDAS Civil建立全桥三维空间有限元杆系模型，有限元模型如图1所示，全桥模型共有节点430个、梁单元469个以及桁架单元44个。

图1 全桥整体有限元模型图

4.2 计算荷载

(1)恒载

结构自重(系数:1.2)；桥面铺装层；栏杆；顶棚玻璃；斜拉索初拉力。

(2)移动荷载

依据《城市人行天桥与地道技术规范》(CJJ69-95)3.1.3.2中规定考虑5.0 KPa人群荷载满布。

(3)温度荷载

根据规范《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)中关于整体升降温的规定，长沙市属温热地区，考虑整体升温30 ℃，整体降温30 ℃；并同时考虑拱圈与主梁之间的温差±20 ℃。

(4)风荷载

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)中关于桥梁风荷载的规定，采用100年重现期的基本风速计算得，基本风压为0.4 KPa。

(5)雪荷载

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)中关于雪荷载的规定，采用100年重现期的基本雪压为0.5 KPa。

(6)基础沉降：各墩沉降按-5 mm考虑，并以最不利情况组合。

(2)荷载组合

依据规范《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)规定，桥梁构件按承载能力极限状态验算强度和稳定性，作用组合效应设计值按现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)规定的基本组合进行计算。

4.3 计算结果

(1)梁截面应力计算

桥面系构件截面最大正应力值为95.7 MPa，最大剪应力值为8.6 MPa；拱肋构件截面最大正应力值为63.4 MPa，最大剪应力值为4.5 MPa；均小于材料Q345C钢材设计强度值，即全桥钢结构强度验算满足规范要求。

斜拉索最大拉应力值为254.7 MPa，小于材料1570钢绞线强度设计值，即全桥斜拉索强度验算满足规范要求。

(2)位移及预拱度计算

桥面系结构竖向位移计算结果如图2所示。

图2 全桥恒载竖向位移图

恒载作用下桥面系结构竖向Dz位移图(Max=-9.9 mm)

图3 全桥活载竖向位移图

人群荷载作用下桥面系结构竖向Dz位移图(Max=-8.7 mm)

人群荷载作用下，桥跨最大竖向挠度值为8.7 mm，出现在跨中，挠度值小于规范中规定限值L/500=50 000/500=100 mm，结构刚度满足规范要求。

桥面系预拱度：取恒载效应值加1/2人群活载效应值之和。

(3)支反力计算

图4 标准组合下支反力示意图

标准组合(包络)作用支座最大竖向反力值Fz(Max=952.7 KN)

图5 考虑风荷载组合下支反力示意图

(恒载+1.4×横向风荷载)作用支座最小竖向反力值Fz(Min=554.4 KN)

桥梁结构在荷载标准组合(包络)作用下，支座最大竖向反力值Fz=952.7 KN；在恒载+1.4×横向风荷载作用下，支座最小竖向反力值Fz=554.4 KN大于0，即结构横向抗风稳定性满足设计要求。

(4)稳定性分析计算

计算桥跨结构在恒载+活载作用下的临界荷载系数值，前10阶临界荷载系数值及前3阶屈曲模态如表1所示。

由计算结果可知，最小临界荷载系数为9.9，满足规范要求。

表1 桥跨结构前10阶稳定系数值

(5)动力特性分析计算

采用“多重Ritz向量法”计算桥梁结构的动力特性，前10阶自振特性计算结果如表2所示：

表2 桥跨结构自振频率

由计算结果可知，该桥梁结构基频为1.3 Hz，一阶竖向振动频率 (TRAN-Z， ROTN-Y)出现在第4阶，即4.12 Hz，满足规范要求竖向自振频率不小于3 Hz。

5 结 论

(1)随着群众对景观需求的提高，城市人行天桥逐渐向造型独特的结构方向发展。尼尔森体系拱桥以其轻盈、跨越能力大、造型优美、施工方便等特点适用于城市主干道人行天桥。

(2)尼尔森体系桥梁结构应选用适用的结构体系及布置形式，充分利用结构特点，发挥材料性能。

(3)尼尔森体系拱桥结构计算时需考虑结构的空间效应，计算模型应建立空间有限元模型。并根据规范要求，进行各项验算。验算结构表明，本体系桥梁结构刚度大，受力性能良好，整体经济性良好，景观造型优美。