福州市金鸡山飞虹桥概念设计和结构分析

肖泽荣

(福州市规划设计研究院 福建福州 350001)

福州市金鸡山飞虹桥概念设计和结构分析

肖泽荣

(福州市规划设计研究院 福建福州 350001)

座落于福州市金鸡山公园的飞虹桥是一座提篮式钢管拱桥。文章阐述了该人行桥的概念设计特点，并采用有限元程序MIDAS/Civil 建立全桥空间计算模型，进行结构受力性能分析和验算，结果表明该桥满足设计要求。

X形双肋拱桥；概念设计；有限元

0 引言

飞虹桥位于福州市金鸡山公园，该桥是沟通两座山的人行交通要道，也是福州市慢行系统中的一部分。该桥的原址有一座人行悬索桥，原先的悬索桥，桥面窄小，因年代久远成为了危桥，已多年不能通行。因金鸡山公园步行道的提升改造，需将此处的人行索桥拆除重建。金鸡山公园群山环绕，山脉优美的塑形启发设计师选用古典但不失时尚的结构类型——拱式结构。

1 概念设计

拱桥总是能令人赏心悦目而又清晰地表达出它的功能，它极易融入环境和满足大家的审美习惯与需求。在桥梁概念设计中，应首先考虑桥位选址的历史及周围环境，充分研究、消化理解和合理应用建桥自然条件基础资料的专题成果，是概念设计安全性的基本要求[1]。钢拱桥的高强轻型等特性能满足设计师对结构造型的追求，促使钢拱结构的形式不断变化与翻新，特别是中小跨的人行桥[2]。

X型双肋拱也被称为提篮拱，该结构是一个三曲率空间结构体系，即在拱轴平面内与垂直于平面的拱体两侧方向都按某种选定的曲率来造型。与其它类型的拱桥相比，提篮式拱桥是将通常的中(下)承式拱式拱桥的拱肋向桥轴线方向倾斜，甚至在拱顶合拢，通过改变拱结构的静力计算图式来有效地增强侧向刚度和抗倾覆稳定性[3]。因此，提篮式拱桥具有面外稳定性能好、可降低对拱桥宽跨比限制、良好施工稳定性和抗震性能、出众的美学特征等明显的竞争优势。两个呈抛物线型的拱肋在桥跨中部内倾，使结构充满活力，让观光者铭记城市发展的速度。桥梁造型轻盈灵动，与金鸡山公园浓厚的人文气息相得益彰。

2 总体布置

飞虹桥位于金鸡山公园内，本景观桥东侧为魏杰故居，西侧连接公园休闲道，主拱采用下承提篮式钢管拱，拱桥计算跨径60m，计算矢高8m，拱肋采用两根壁厚20mm的D600mm钢管，吊索采用Φ40mm的40CrNiMoA高强度吊杆，锚固为螺栓锚固。桥面人行道宽2.5m，上部结构主梁采用钢箱梁，标准宽度6m，截面布置形式为变截面单箱三室，梁高0.7m～1.5m，桥台采用重力式钢筋混凝土U型桥台，基础为扩大基础。桥梁总体布置如图1～图2所示。

图1 桥梁立面图(单位:cm)

图2 桥梁标准断面图(单位:cm)

3 主桥上部钢结构验算

为验证结构安全性及可靠性，采用有限元程序MIDAS/Civil 2015建立全桥空间计算模型，对结构进行受力性能分析及验算。

3.1 空间有限元模型

本文所建立的有限元模型如图3所示。该有限元模型设有292个节点，417个单元，其中：拱肋、桥面系横梁、主桥钢箱、支撑采用杆系单元，吊杆采用只受拉单元，系杆采用梁单元；拱脚与系杆固结，拱肋和主梁钢箱衔接圆弧段通过等效刚度刚臂连接在一起，以模拟桥梁真实边界条件。考虑人行荷载为5.0kN/m2。

图3 主桥空间有限元模型

3.2 主桥钢结构承载力验算

承载力验算荷载组合考虑4种工况：

第1组合为1.2×①+1.4×②+0.98×④；

第2组合为1.2×①+1.4×②+0.98×⑤；

第3组合为1.2×①+1.4×③+0.98×④；

第4组合为1.2×①+1.4×③+0.98×⑤(其中，①恒载，②人群满载，③人群半跨加载，④环境升温25℃，⑤环境降温23℃)。荷载组合后得到结构最不利内力如表1所示。

表1 结构最不利内力

对结构组合应力最大值进行提取，得到拱肋和钢箱梁体的最大组合应力分别为96.8 N/mm2和58.3 N/mm2。由于上部结构为钢结构，因此分析以应力结果控制，由提出的组合应力值，可得各构件的应力在最不利工况下的应力为96.8N/mm2，小于容许应力170N/mm2。因此主桥钢结构承载力满足设计要求。

3.3 主桥风荷载作用横向变形和应力计算

主桥横向变形荷载工况考虑为：1.0×恒载(自重)+1.4×风载，福州地区风荷载标准值W0=0.85kN/m2(百年一遇)。计算可得最大跨中横向位移为0.011m

拱肋在风荷载参与组合作用下的组合应力最大值为88N/mm2，小于容许值170N/mm2。

3.4 吊杆计算

根据最不利荷载组合得到吊杆作用效应如图4所示，易知跨中吊杆受力最大为83.0kN。吊杆采用40CrNiMoA高强度吊杆，极限拉应力为780MPa，其基本构造如图5所示，依据材料力学计算易得吊杆承载能力为979.68kN，远大于吊杆所承受的荷载值，因此吊杆设计满足安全验算。

图4 最不利荷载组合下吊杆拉力

图5 吊杆大样图(单位:mm)

3.5 主桥挠度验算

主桥挠度计算采用荷载标准值，考虑恒载(自重)+活载(人行荷载)的影响，桥面系和拱肋的挠度值分别为0.017m和0.062m。人群荷载作用下最大竖向挠度应满足L/600=60/600=0.1m，因此人行桥满足挠度验算要求。

3.6 主桥稳定验算

拱是主要受压构件，稳定问题主要是针对拱肋的稳定。第1类稳定问题是指：如果拱所承受的荷载达到一定的临界值时，拱的平衡状态就会丧失稳定性，或者在竖向平面内拱轴线离开原来的纯压对称变形状态向反对称的平面挠曲，即向受压兼受弯状态转化，称为拱的面内屈曲；或者拱轴线倾出竖平面之外，转向空间弯扭的变形状态，称为拱的面外屈曲或拱的侧倾[4]。

稳定系数取决于轴向压力，因此结构特征值计算的荷载工况为: 恒载+满布活载，对成桥阶段下的结构整体稳定性进行计算。结构面外失稳情况如图6所示，计算所得面外稳定系数列于表2。

图6 主桥上部结构面外一阶失稳

阶段稳定系数失稳模态125．87面外双波失稳234．96面外三波失稳

由表2可知，第一阶稳定系数是25.87>4.0，满足设计规范要求。

4 结语

对于公园景区内的景观桥梁设计，设计师应充分研究桥位处周边景观及地形的特点。飞虹桥选用了提篮拱结构作为本桥的结构受力体系，桥梁结构与周边景观融为一体，该桥建成后已成为金鸡山公园一道亮丽的风景线，详见附图——飞虹桥效果图。

桥梁结构体系确定后，通过有限元进行空间建模受力分析，本桥的主桥钢结构承载力、风荷载作用下的横向变形和应力、吊杆设计、挠度验算及第一阶稳定系数等均满足设计规范要求。因此，该桥的设计思路和尺寸构造可供这类桥梁设计参考。

附图 飞虹桥效果图

[1] 项海帆.桥梁概念设计[M].北京：人民交通出版社, 2011.

[2] 陈宝春.钢管混凝土拱桥(第二版)[M].北京：人民交通出版社, 2007.

[3] 谢健科, 宁晓骏, 廖运河,等.无推力提篮式人行拱桥的设计与分析[J].中外公路, 2013, 33(2).

[4] 郭月峰.钢管混凝土提篮拱桥受力特性分析——泉州市和昌大桥[D].福州：福州大学，2007.

The conceptual design and structural analyses of Feihong Bridge at the Jinjishan Park in Fuzhou

XIAOZerong

(Fuzhou Planning Design & Research Institute,Fuzhou 350001)

FeihongBridge is a X-shape steel arch bridge and located at the Jinjishan park in Fuzhou.In this thesis, conceptual design features of this footbridge have been discussed.With the Midas/Civil software, the FEA model is established to analyze bridge mechanical performance, the results show that FeihongBridge meets design requirement.

X-Shape steelarchbridge;Conceptual design; Finite element analysis

肖泽荣(1977.11- )，男，高级工程师。

E-mail:529942757@qq.com

2017-03-17

U44

A

1004-6135(2017)06-0107-03