异型混凝土人行桥设计与分析

赵怡琳

(厦门中平公路勘察设计院有限公司)

异型混凝土人行桥设计与分析

赵怡琳

(厦门中平公路勘察设计院有限公司)

以福鼎市潮音大桥工程设计为背景，详细介绍该异型混凝土人行桥的总体设计，并利用梁格法计算结构受力，验算结构的自振频率以及地震作用下的受力状态。计算和分析结果表明，在静力、动力计算中结构的强度、刚度、应力与自振频率等均满足规范要求，结构设计安全、可靠。

异型桥梁;梁格法;设计计算;分析;人行桥

1 工程概况

本桥位于福鼎市，福鼎市位于福建省东北部，与浙江温州毗邻，是闽东南通往浙江乃至长江三角洲的“北大门”，三面环山，一面临海。潮音大桥横跨桐山溪，连接中央大道与江滨南大道，桐山溪的两岸分别是山水名都、铂金华城与滨江时代城、百胜新区板块，大桥的建立，对于桐山溪两岸的互补、交流有着至关重要的作用。

全桥为一联30+3×40+30 m，全长180 m，桥梁两端接观景平台。普通的人行桥多以钢箱梁、钢桁架、简单混凝土桥梁为主，潮音大桥突出景观效果和观景功能，本桥上部结构采用“X”型预应力混凝土连续现浇箱梁，分叉处桥面宽度为6 m，桥梁中心处桥宽为10 m，外侧平面半径为200 m，为了减小阻水面，下部桥墩采用圆端形板式墩，桥台采用桩柱式台，基础钻孔灌柱桩基础。

2 技术标准

(1)设计基准期:100年;

(2)设计安全等级:二级;

(3)设计荷载:人群荷载:5.0 kN/m2;

(4)设计地震动峰值加速度:0.05 g，抗震设防烈度为6度，按B类设防，设防措施等级为7级;

(5)环境类别:Ⅱ类滨海环境;

(6)防潮标准:1/100。

3 结构布置

主桥上部采用30+3×40+30 m“X”型预应力混凝土现浇连续箱梁，箱梁顶面宽度边跨处6 m、中跨跨中10 m，悬臂长度1.25 m，桥面顶板横坡通过腹板高度变化调整，顶板横坡为双向1.0%。箱梁边腹板处梁高为1.6 m不变，其他各处梁高按横向坡度进行变化，边跨为单向坡，其他各跨为双向坡。顶板厚0.25 m，底板厚 0.25 m，腹板厚 0.45 m，支点腹板厚0.6 m。箱梁在墩顶及伸缩缝处设置横隔梁，端支点处横隔梁厚 1.0 m，1#、4#墩顶处横隔梁厚 2.0 m，2#、3#墩顶处横隔梁厚1.8 m。

4 结构分析

4.1 计算模型的划分

整体结构分析程序采用MIDAS/Civil的梁格法。梁格法的特点是用等效的梁格来代替桥梁上部结构，纵向梁格代表上部结构的纵向结构，纵向刚度集中在纵向梁格中，横向梁格代表上部结构的横向结构，横向刚度集中在横向梁格中，纵横梁格的截面特征根据其所代表的结构和实际受力变形情况进行计算。当结构原形和等效梁格承受相同的荷载时，它们的挠曲变形相等，因此梁格的受力状态接近于实际结构的受力状态。对于薄壁封闭箱形结构，采用剪力-柔性梁格法可得出满意的结果:全桥共分为1 134个单元，867个节点，梁格计算模型如图1所示。

图1 潮音大桥梁格计算模型图

如图1所示，本文共采用7道纵梁与4道虚拟纵梁(加载栏杆荷载)模拟整个桥梁，潮音桥突出的特点为曲线梁桥，且截面加宽与分叉，平面计算已无法有效的模拟结构，必须采用空间结构算法。施工采用满堂支架分阶段施工，节段划分详见图2。

图2 施工节段划分示意图

4.2 静力计算结果分析

混凝土桥梁在服役过程当中，恒载(不包括预应力)内力占相当大部分的比例，对于混凝土异型桥梁的恒载内力分配，应给予足够的重视，本文中工程实例较为复杂，且桥面宽度变化较大，增加了腹板，对于预应力的配置就提出了更严格的要求，恒载内力详见图3。

由上图可以看出，0#肋在腹板增加的区域内力变化较大，1#肋内力变化与一般连续梁内力变化类似，因此主要的配筋难点应为0#肋以及2#肋，经过设计可以得到，在0#肋在腹板增加的区域，钢束二次力反向较大，对于抵消恒载内力非常有效，另外，活载内力分布与恒载内力分布非常相似。

图4可以看出，活载位移曲线变化连续，且最大值出现在次边跨，最大的挠度值为14.3 mm，城市人行天桥规范中规定梁板式主跨跨中挠度允许值为计算跨径的1/600，大约为67 mm，挠度值远远小于规范允许值，说明本文中桥梁的刚度足够大，且较为保守。

图3 恒载作用下各纵梁内力图(单位:KN·m)

图4 活载作用下各纵梁位移图(单位:mm)

表1 主梁应力验算结果表(单位:MPa)

由表1可以看出，1#肋上缘在短期效应组合下最大拉应力较大，富余量较小，主要发生在墩顶位置，下缘应力在长期效应和短期效应组合下均大于0，满足规范要求，且富余量较大;压应力上缘较大，富余量较小，下缘储备较大;从拉应力和压应力的分布和大小判断，由于桥面变宽和分叉，预应力配置时交叉较大，且预应力线形受很大控制，预应力二次力造成应力不平整，总体看来，预应力的配置虽然满足了规范的要求，但是拉应力和压应力的储备都较小，存在优化的余地。

4.3 动力计算结果分析

(1)自振频率。将结构自重和二期恒载转换成质量，验算结构基频及周期，得出箱梁第一阶竖向振动f=4.49 Hz，T=0.22 s，满足《人行天桥规范》中第一阶竖向振动频率不能小于3 Hz的要求。

(2)地震计算。福鼎市地处东南沿海地震带，是地震活动较为强烈的地区，还会受到台湾这一环太平洋地震带的影响，历史上曾经发生过多次破坏性地震，现为国家地震重点监视防御区之一，根据抗震规范福鼎市处于6度设防，根据桥梁类型、场地、分区特征周期，图5为E1设计反应谱。

图5 E1设计反应谱

输入程序，并模拟了桩土共同作用，得到0#肋内力图，如图6。

图6 E1地震作用下0#肋X/Y弯矩图(单位:KN·m)

可以看出，地震对上部结构影响很小，纵向地震对墩底产生最大弯矩375 kN·m，横向地震对墩底产生最大弯矩608 kN·m;经组合计算桥墩的强度和裂缝均满足规范要求。

5 结论

(1)异形X箱梁，活载与恒载内力分布相近。

(2)混凝土人行天桥结构的整体刚度较大，挠度及结构基频不是控制设计的关键因素。

(3)异形桥梁受预应力配置及约束布置的影响较大，设计中应按多种配束及支座布置方案计算，进行优化设计。

(4)地震对于X结构产生的效应较小，不是控制设计的主要因素。

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1008-3383(2013)03-0109-02

2012-12-28

赵怡琳(1979-)，男，福建霞浦人，工程师，研究方向:桥梁工程。