关于人非分离吊杆拱桥受力分析的研究

刘鹏

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司天津分公司，天津300042）

1 引言

吊杆拱桥是将梁和拱2 种基本结构相组合，共同承受荷载，使梁板的受力通过吊杆传递到拱肋，再通过拱肋传递到下部结构。其兼有拱桥的较大跨越能力和梁桥对地基适应能力强的2 大特点。当桥面高程受到严格限制而桥下又要求保证较大的净空，或当墩台基础地质条件不良易发生沉降，但又要保证较大跨径时，吊杆拱桥是较好的选择。

本文研究的昌平路桥位于上海市中心城的中部，跨越苏州河，处于苏州河东段，介于恒丰路桥、普济路桥之间，呈东西走向。

2 设计要点

昌平路桥沿线南北两侧现状主要为商业服务和行政办公场所，交通比较繁忙，且上海火车站位于秣陵路以北，人流量非常高。基于此，人行道与车行道分离设置，能最大限度减少人车互相干扰的问题，且能实现行人短暂驻足、休息，欣赏苏州河两岸美景的功能。

弧形跨越河道的拱肋结构，自身尺寸纤细，因而很少影响视线。拱肋在尺度和空间造型上一般都与周边建筑几何形状形成鲜明的对比，这种环境下的桥梁造型很容易给人们留下美好的印象。

要实现人非分离，从节约材料方面考虑，主梁结构需要在主拱处分开。人行道部分主梁刚度较小，受力之后变形较大，副吊杆处索力不能出现压力，对于横梁的布置要求较高。

3 设计方案

3.1 桥梁总体布置

桥位处河道现状宽约50m，主跨跨径选择为59.862m，同时根据平面布置，桥梁按照斜交13°布置。桥梁主桥立面如图1 所示。

桥梁横断面（见图2）布置为：3.75m（人行道）+4.5m（索区）+2.0m（主拱区）+0.5m（防撞护栏）+3.5m（非机动车道）+21.5m（机动车道）+3.5m（非机动车道）+0.5m（防撞护栏）+2.0m（主拱区）+4.5m（索区）+3.75m（人行道）=50m。

图1 主桥立面图

图2 跨中标准横断面布置

3.2 桥梁上下部结构设计

3.2.1 主梁

主梁采用双主梁与横梁组成的结构形式，跨中标准梁高1.7m，支点加高至1.85m，桥梁车行道横坡为2%，人行道为1%，底面保持水平，保证通航净空。两侧人行道平面呈圆弧布置，半径约为78m。主纵梁宽2m，沿车行道布置；边纵梁宽1.2m，纵桥向呈圆弧形起拱，半径约为242m，沿人行道布置；车行道中央设置3 道小纵梁。

横梁间距3m，为工字型断面，高度与主纵梁相同，底板宽0.5m，与主纵梁呈77°夹角，吊杆通过耳板与横梁连接。

3.2.2 拱肋

拱肋采用抛物线，矢跨比为1/5.4，桥面以上拱肋高度9.866m。拱肋为矩形钢箱粱，断面高1.2m，宽1m。吊杆隔板间距3m，吊杆在拱肋上采用耳板的形式连接。

3.2.3 吊杆

吊杆为拱桥的主要受力构件，本桥的吊杆采用平行钢丝成品索，主吊杆采用PES（FD）7-73，副吊杆采用PES（FD）7-37。吊杆间距3m，上下均采用耳板与结构相连，全桥共34 根主吊杆及34 根斜吊杆。

3.2.4 桥梁下部结构设计

桥台采用埋置式桥台。

3.2.5 主要材料

下承式系杆拱桥：Q420qD 钢材；

桥台：C40 混凝土；

桩基：C35 水下混凝土。

4 桥梁受力分析

根据总体布置，对下承式系杆拱桥进行结构分析计算。

4.1 设计参数

4.1.1 恒载

一期恒载：包括主拱、主梁自重，钢材材料容重为78.5kN/m3；

二期恒载：桥面铺装容重为24kN/m3。

4.1.2 活荷载

车辆荷载：车辆荷载为城-A；双向6 车道+2 非机动车道；

人群荷载：按CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》规定取用；

温度荷载：考虑整体均匀温升25℃，整体均匀温降-25℃；风荷载：基本风速为33.8m/s。

4.1.3 荷载组合

根据JTG-D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》[1]，钢结构构件需按承载能力极限状态基本组合验算强度和稳定性，作用组合效应设计值按JTG-D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[2]规定计算。

4.2 计算模型

全桥总体静力分析采用Midas-Civil 空间分析程序，对各种荷载工况下桥梁的成桥阶段和施工阶段进行受力和位移分析。模型采用空间杆系结构，系梁、端横梁、中横梁按实际截面形式用梁单元模拟，吊杆用桁架单元模拟。图3 为主桥模型图。

4.3 刚度计算

主拱的活载最大竖向位移为8mm；横梁的活载计算挠度f=1+26=27mm，小于L/500=63mm，满足规范要求。

图3 主桥模型图

4.4 吊杆计算

吊杆在成桥阶段、运营阶段最不利荷载组合下索力如图4所示。

图4 吊杆成桥索力图（单位：MPa）

主吊杆选用PES5-109，辅助斜吊杆选用PES5-19。吊杆运营阶段标准组下吊杆最大应力分别为σ=454MPa，安全系数k=fpk/σ=3.68＞2.5，满足规范要求。

吊杆在疲劳荷载计算模型下，吊杆应力幅ΔσP=49.2MPa，根据JTG-D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》第13.2.2节，平行钢丝束的ΔσD=137MPa，ΔσP=49.2MPa≤KsΔσD/ΥMf=137/1.35=101MPa，满足规范要求。

4.5 上部结构应力计算

上部结构在成桥阶段基本组合应力如图5 所示，上部结构各构件在基本组合下的最大应力见表1。

图5 上部结构基本组合下的正应力包络图

表1 上部结构各构件在基本组合下的最大应力

4.5.1 拱肋

由上述应力图和表可以看出，在基本组合下拱肋最大拉应力为186MPa，最大压应力为-283MPa。整体稳定折减系数为1，容许压应力为320MPa＞283MPa，满足设计要求。

主拱肋面外、面内最大剪应力分别为19.6MPa 和12.8MPa，基本组合下钢材容许剪应力185MPa，满足设计要求。

4.5.2 纵梁应力

由上述应力图和表可以看出，在基本组合下主纵梁最大拉应力为103.7MPa，最大压应力为-111MPa；边纵梁最大拉应力为83.4MPa，最大压应力为-40.3MPa，均小于基本组合下钢材容许应力320MPa，满足规范要求。

4.5.3 桥面板应力

由上述应力图可以看出，在基本组合下桥面板最大等效应力为133.5MPa，小于基本组合下钢材容许应力320MPa，满足规范要求。

4.5.4 小纵梁

由上述应力图可以看出，在基本组合下小纵梁最大拉应力为231MPa，最大压应力为-135.3MPa，小于基本组合下钢材容许应力320MPa，满足规范要求。

4.5.5 横梁

由上述应力图可以看出，在基本组合下系梁段横梁最大拉应力为104.6MPa，最大压应力为-96.1MPa，小于钢材容许应力320MPa；在基本组合下系梁段横梁最大剪应力为32.3MPa，小于钢材容许应力185MPa，满足规范要求。

总体来看，除与系梁相交节点处应力突变最大值为193.6MPa，在基本组合下中间横梁最大拉应力为138.6MPa，最大压应力为-147.4MPa，小于钢材容许应力320MPa；在基本组合下中间横梁最大剪应力为53.7MPa，出现在横梁与系梁相交处，小于钢材容许应力185MPa，均满足规范要求。

4.6 拱肋稳定计算

主桥在恒载、活载作用下，以主拱的侧向失稳（见图6）为主要的整体失稳模态，最小的稳定系数为152，满足设计要求[3]。

图6 拱肋侧向失稳

5 结语

通过上述模型计算结果可知，吊杆在成桥阶段、运营阶段索力均小于拉索设计拉力，且没有出现拉应力；桥面板、拱肋及纵横梁在基本组合下的应力均小于钢材的允许应力值；主桥最小稳定系数满足规范要求。该桥梁结构是安全可靠的，满足设计要求，有足够的安全储备。

人行道与车行道分离，中间通过强横梁连接，保证了人行道部分的整体刚度，且副吊杆在全过程中没有出现压力，说明了吊杆布置的合理性。

本方案中人非分离的吊杆拱桥，实现了大流量人群过河、驻足赏景，还能提高桥梁的景观效果，很好地满足了桥梁结构的受力性能。