一座钢结构板式斜拉人行桥的设计与结构分析

陈超

摘要：本文从概念设计、结构设计、结构计算等方面介绍一座新颖的钢结构板式斜拉人行桥的设计及结构分析。论述了该桥结构的受力行为特点。

关键词：人行桥 景观桥 钢结构 板式斜拉 几何非线性

中图分类号： TU391 文献标识码： A

1工程背景及概念设计

该人行景观桥是青岛市王村新城汇康河上的人行主要通道，连通东、西侧的商业区和居住区。王村新城为青岛蓝色硅谷产业区的先行区和主阵地，规划建设标准高，示范性强。桥址下游50m处将设置一处橡胶拦水坝，水域开阔。因此该桥除满足功能需求外，其景观标志性十分突出。

根据规划定位和景观需求，经多方案比选后采用五跨连续钢结构板式斜拉桥方案。桥梁设计从“张开的双臂”概念意图出发，对一个弯曲曲面进行修剪和开孔，得出一个兼具力度和柔美的桥梁建筑形态。

图1 人行桥概念构思及效果表现图

2主要技术标准

人群荷载：按《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）采用； 设计风速：V10=33.9m/；

设计洪水位：100年一遇水位=3.871m；环境类别：Ⅲ类；设计基准期：100年；

地震：地震基本烈度为6度，基本地震加速度峰值0.05g；设计安全等级：一级；

3结构设计

3.1总体布置和支承体系

桥梁采用五跨连续钢结构板式斜拉桥，跨径布置为20+20+40+20+20=120m，主塔与主梁间通过斜拉板连接。主梁、斜拉板及主塔采用钢结构，钢材材质选用Q345qD。下部桥墩、桥台及基础采用普通钢筋混凝土结构。墩身采用C40混凝土，桥台及桩基采用C35混凝土。

图2 人行桥桥型布置图

主塔与主梁间通过斜拉板连接，主塔墩顶、辅助墩顶及桥台顶设置板式橡胶支座竖向支承主梁，主塔墩顶设置双向滑动的四氟滑板支座，横向支承主梁。

3.2主梁

主梁为弧底闭口箱箱梁，箱梁全高1.6m，顶、底、腹板板厚均为12mm。箱内布置纵向扁钢加劲肋，肋板厚8mm，肋高100mm。箱梁横隔肋板间距2.5m，板厚10mm。在支座处设置实腹横隔板，板厚20mm。主梁共分为25个制作节段，标准节段长5m。

为克服运营阶段支座负反力，在边跨靠近桥台12.2m范围主梁内灌注C30混凝土压重，压重集度为50kN/m。

3.3斜拉钢板

横桥向斜拉钢板平面与水平面的夹角120°，在与主梁腹板相交处与腹板弧面相切。拉板上三角开孔范围根据软件计算开孔前整块拉板上的应力较小区域进行确定。斜拉板厚度为16mm，板件对接均采用全焊透焊缝。成桥后拉板通过主梁的重量获得几何刚度，大大改善主梁受力状况的同时保证了自身的面外稳定。

3.4主塔

主塔柱采用钢结构，塔柱总长11.8m。在横桥向主塔轴线与铅垂线间夹角为26°。塔柱采用矩形闭口断面，断面尺寸由根部的0.7m（横桥向）×1.0m（顺桥向）变化至塔顶的0.396m（横桥向）×0.8m（顺桥向）。塔身壁厚16mm。塔身设计为4个制作节段，底部节段在桥墩中预埋，结合段长度2.0m。结合段塔壁通过节段底承压板及塔壁焊接的剪力钉与桥墩混凝土紧密结合。

3.5下部结构

3、4号桥墩（主塔墩）为框架式墩，由上部三角形框架和下部等截面矩形墩组成。框架部分斜柱及系梁均为矩形截面，斜柱顺桥向宽1.5m，横桥向宽1.2m，系梁顺桥向厚1.5m，高0.6m。下部矩形墩截面尺寸为2.5m（横桥向）×1.5m（顺桥向）。墩顶设置钢结构横向限位挡块。3、4号桥墩承台平面尺寸为6.0×6.0m，厚1.5m，承台底设置四根桩径为1.0m的钻孔灌注桩基础，桩间距4.0m。

2、5号辅助墩采用圆形独柱墩，墩柱圆形截面直径为0.8m，墩下设置单根直径1.0m的钻孔灌注桩基础。

1、6号桥台均为桩柱式桥台，桥台盖梁平面尺寸为4.5m（横桥向）×1.5m（顺桥向），高1.2m，盖梁下设置单排2根直径1.0m的钻孔灌注桩基础，桩间距2.5m。

3.6耐久性设计

由于地处滨海和寒冷环境，设计中严格控制钢筋混凝土构件的裂缝宽度，同时对混凝土材料的胶凝材料用量、原材料质量、配合比、外加剂均做了详细的设计规定。对钢结构构件做了详细的钢结构防腐涂装设计并对焊接材料、焊接工艺做出详细规定。

3.7施工工法设计

工程场地河道尚未开挖，下部结构采用常规陆上施工工艺，钢主梁采用支架法拼装施工，斜拉板采用托架拼装施工，拉板结构合拢后先拆除主梁支架再拆除拉板托架。在拆除主梁支架前，拉板与其下的托架接触面需可滑动以利于支架拆除后拉板获得重力几何刚度。

4计算分析

桥梁结构静、动力计算采用有限位移理论法，使用有限元计算程序进行空间结构分析。计算中梁、塔、墩及桩基均采用梁单元，斜拉板则采用板单元。用弹性连接等边界条件模拟实际结构的支承体系，模型中计入了橡胶支座以及桩基土弹簧的水平线刚度。计算荷载考虑了恒载、人群、温度、风以及地震作用。

图3 人行桥结构计算模型图

4.1拉板受力特点的讨论

如按经典线性力学理论分析本桥结构自重恒载下和结构受力状态，拉板的最大位移将达到42.6cm，最大von Mises应力为139.5Mpa。然而对本桥的薄壁钢拉板结构来说，其刚度除了与材料及初始构形有关外，与受荷后的应力、位移状态也有关系，受力特性更接近于膜壳结构。因此拉板实际的结构受力并不满足线性理论所依赖的基本假定，只有将平衡方程建立在结构变形后的位置，考虑变形、内力对刚度的影响才符合实际情况。因此在计算分析时计入了拉板在恒载作用下的几何非线性效应。考虑几何非线性后，在自重作用下斜拉板最大位移为4.19cm，自重下拉板最大von Mises应力为44.00Mpa。

图4 按线性和非线性理论恒载作用下的计算结果对比

4.2验算结果

所有荷载组合下主梁最大拉应力73MPa，最大压应力58Mpa，最大竖向剪应力57Mpa，最大等效应力为109Mpa，在人群荷载作用下位移小于L/600；主塔最大拉应力72MPa，最大压应力105.6Mpa，最大剪应力13Mpa；拉板最大von-Mises 应力为215MPa，最大剪应力115MPa。

钢结构构件的强度、刚度、稳定性均能满足规范要求。下部普通钢筋混凝土结构的强度、裂缝宽度也均能满足规范要求。桥梁一阶竖向振动频率为4.7Hz，可以保证行人使用的舒适度。

5结语

钢结构板式斜拉人行桥结构形式新颖，造型优美隽逸，在城市建设中的应用价值十分突出。结构利用了主梁自重在拉板内形成几何刚度协同受力，可以降低主梁结构高度。实际上，本桥结构如取消主塔处的竖向支撑可以更大程度地发挥拉板作用，但由此会造成振动频率降低，行人会否有不安全感，使用舒适度如何等问题值得进一步研究。

参考文献：

[1] Belblidia F. and Bulman S. A hybrid topology optimization algorithm for static and vibrating shell structures, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2002, Vol. 54, No. 6, pp 835-852.

[2] 兰辉萍, 蔡国记. 钢结构人行天桥计算综合研究与分析[J]. 特种结构2010（02）