大跨度PC门式刚构人行桥设计关键技术研究

仝 波, 宋广林

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200040)

0 引言

人行桥大都修建于人口稠密的城市路口，随着乡村振兴战略的推进，部分乡镇因地制宜，于跨越航道处也提出了建设人行桥的需求。对于大跨度门式刚构人行桥，相关研究案例较少，范佐银等[1]介绍了6 m+40 m+6 m的带斜撑门式刚构桥设计；王佳[2]介绍了单跨20 m的普通钢筋混凝土门式刚构；李健等[3]分析了带斜撑的斜腿刚构在跨线桥中的应用；郭瑞军[4]分析了斜腿刚构的非线性稳定性问题。上述文献均是基于公路桥，而针对桥面较窄、跨度较大、只有竖撑没有斜撑的大跨度人行门式刚构桥，其人行工况下的舒适度研究[5]、墩梁结合部位的应力分析、大偏心受压的竖撑裂缝计算以及短周期下的抗震分析等，相关文献很少，本次研究成果可对相关工程提供借鉴。

1 工程概况

工点位于江苏某镇规划整治河道之上，两岸设护岸桩，河岸宽度47 m，平均水深约3 m，Ⅴ级航道，通航净空要求45 m×5 m(宽×高)，为方便两边居民出行，需修建一座净宽3.5 m的人行桥，要求其能满足景观要求。桥位中线与河道中线法线夹角为5 °；设计人行荷载3.85 kPa；设计洪水为100 a一遇；设计使用年限为100 a。

2 地质概况

本地域属于长三角冲积平原地质，地面绝对标高在3.0 m左右，覆盖层大于80 m，为第四系全新统沉积物，土质软。第1层为素填土，层厚约1.0 m；第2层为淤泥质粉质黏土，层厚为3 m；第3层为砂质粉土，层厚约10 m；第4层为淤泥质粉质黏土，层厚约1.5 m；第5层为砂质粉土，层厚约14 m；第6层为粉质黏土，层厚约8 m。

3 方案比选

考虑人行桥舒适度、美观性以及经济性，比选了简支钢桁梁、简支系杆拱桥、简支现浇箱梁和变截面门式刚构桥方案，比选方案主要控制因素如表1所列。

表1 跨航道人行桥方案比选桥型跨度/m桥总宽/m梁(矢)高/m竖向自振频率/Hz竖向振型出现阶数/阶桥面竖向加速度/(m·s-2)简支钢桁梁525.673.3230.28简支系杆拱桥525.893.6550.19简支现浇箱梁504.52.51.9610.98门式刚构桥504.52.8～1.82.9730.23

从方案比选看到，简支大跨结构(钢桁梁和系杆拱桥)均可满足规范[6]竖向自振频率大于3 Hz的要求，且舒适度分析为“最好”。简支现浇箱梁自振频率1.96 Hz，恰好在人行频率范围之内[7]，舒适度分析为“中等[8]”，用增加梁高来提高舒适度是不够经济和美观的。门式刚构桥虽然竖向频率为2.97 Hz，但是避开了人行频率范围，且桥面舒适度分析为“最好”，与文献[9]分析结论相当。

简支钢桁梁和系杆拱，因为桥面较窄，桥上结构占比较大，给行人一种不够通透，行走压抑的感觉，同时不够经济；而门式刚构桥，桥上视野开阔，河岸两侧风景可一览无余，且舒适度分析结论为“最好”，符合人行桥设计初衷和景观友好要求，因此本次推荐采用了门式刚构桥。桥型总布置如图1～2所示，设计桥梁总长56.2 m，计算跨度49.0 m，支点梁高2.8 m，跨中梁高1.8 m，梁底按二次抛物线变化。

图1 主桥总布置(单位：cm)

图2 主桥侧视(单位：cm)

4 关键技术研究

4.1 美学设计

桥梁的美学不仅在于外在的装饰，还在于与内在受力的协调美，好的景观桥必定是力学和美学的完美统一[10]。本桥为配合美学设计，桥墩宽度和跨中梁高保持一致，均采用1.8 m，支点高度采用2.8 m，跨中高度比例为1.56，接近黄金分割比，使得整个桥突出了内在受力特点；同时采用白色外涂装，全桥形态和谐、结构精炼、线条简洁、色彩明快、质感自然，与周边农村建筑景观协调辉映。

4.2 基础刚度

对于常规的简支梁和连续梁，下部结构刚度对自振频率影响很小；然而对于刚构桥，其动力特性与下部结构刚度息息相关[11]，不同的桩基布置下，人行桥会有不同的自振频率和舒适度，并且下部结构内力也与刚度有关。本次采用m法，对比了6-φ1.2 m、4-φ1.5 m、3-φ1.8 m桩基布置以及承台底固结这4种形式对门式刚构桥竖向自振频率与桥墩内力等指标的影响，如表2所列。

表2 不同桩基布置对应下部结构内力对比桩基布置自振频率/Hz墩顶弯矩/(kN·m)墩底弯矩/(kN·m)最大桩顶弯矩/(kN·m)最大桩顶轴力/kN造价/万元6-ϕ1.2 m2.9619 6457 9193682 01046.74-ϕ1.5 m2.9819 6297 6087022 46348.93-ϕ1.8 m2.8719 5157 5781 3402 74052.5固结3.5819 4719 670---

由表2可以看到，门式刚构采用承台底固结计算，自振频率较大，相对舒适度分析偏不安全，相对内力分析偏保守。软土地区摩擦桩中，小直径群桩相对大直径排桩有着更好的性价比，本次推荐采用6-φ1.2 m钻孔桩布置。

4.3 墩梁过渡段

门式桥墩的墩梁过渡段是设计的关键，应力相对复杂，主梁钢束布置如图3所示，采用ANSYS软件的187#高阶四面体单元，建立三维模型如图4所示，于墩梁过渡段加密单元，在恒载及人群满布工况下，梁过渡段的主拉应力云图如图5所示，过渡段的主拉应力迹线如图6所示，可将墩梁过渡段的主拉应力归纳为4个部分，即顶板σt1、横梁中线上部σt2、横梁中线下部σt3、桥墩立柱外侧σt4。顶板施加了预应力，图中σt1最小，σt4最大，力流呈现从顶板基本垂直过渡到桥墩外侧的特点，墩梁过渡段4个部分主拉应力大小如表3所列。

图3 主梁钢束布置(单位：cm)

图5 墩梁过渡段主拉应力云图(单位：Pa)

图6 墩梁过渡段主拉应力迹线

表3 墩梁过渡段主拉应力主拉应力位置与水平面夹角/(°)大小/MPaσt1顶板上缘00σt2横梁上部800.67σt3横梁下部871.54σt4桥墩外侧905.8

4.4 桥墩设计

门式刚构桥是一种介于拱桥和梁桥之间的桥型，桥墩不同于普通刚构桥墩，因为没有边跨平衡恒载弯矩，桥墩呈现大偏心受压构件特点，且会有较大的水平推力，本次桥墩尺寸为3.5 m(横)×1.8 m(纵)，桥墩顺桥向恒载偏心距约5.3 m，剪力和轴力比值最大约0.55，在常规桥墩结构设计中甚为少见。

对于大偏心受压桥墩，对比了外侧布置普通钢筋和布置预应力钢束2种方案。第1种方案为外侧布置两排双肢钢筋，根据平截面假定，外侧钢筋应力大，内层钢筋应力小，为控制裂缝需控制外侧钢筋应力。第2种方案为外侧布置预应力钢束，如图7～8所示，预应力桥墩按B类构件设计，类似于弯压组合梁的受拉区布置钢束，其布置特点类似常规箱梁腹板竖向钢筋，对整个桥梁不产生次内力，锚固点分别布置于承台顶面下0.8 m和桥面下0.15 m，承台处采用P锚，桥面为张拉端，采用对桥墩施加预应力的三维实体模型分析，如图9所示，桥墩受拉侧拉应力大大减小。2种方案的综合对比如表4所列，可以看到，本桥墩外侧采用预应力钢束，减小了偏心距，相对普通钢筋布置方案，裂缝减小了20%，投资节省了34%。

图7 桥墩钢束布置断面

图8 桥墩钢束布置立面

图9 施加预应力主墩截面正应力云图(单位：Pa)

表4 桥墩设计方案对比布置方案钢筋应力/MPa裂缝宽度/mm受拉区含筋率/%造价/万元两排双肢普通钢筋108.70.1753.365.09单排双肢普通钢筋+预应力钢束83.40.1452.473.35

4.5 抗震特性

本桥地处6度区，因为舒适度的考虑，桥梁自振周期较小，自振周期处于反应谱的最高点，地震效应如表5所列，在E2地震下，桥墩各部分均未进入塑性，满足要求。门式刚构桥墩顶、墩底存在4个塑性铰区域，因为桥墩布置了预应力钢束，塑性铰形成困难，采用能力保护构件设防较为复杂，8度及以上区域需要专题研究。

表5 E2地震效应结果(kN·m)地震效应墩顶墩底桩顶MyMzMyMzMyMzE2顺3 583.503 3680940E2横01 80008 219181110

5 结论

通过对跨越航道的大跨度门式刚构人行桥设计研究，主要结论如下：

1)对于跨越航道的大跨度结构人行桥，简支结构无法满足人行舒适度的要求，采用门式刚构桥是适宜的方案，自振频率以及舒适度分析需要考虑下部结构刚度影响。

2)主梁采用A类预应力构件设计的门式刚构桥，墩梁过渡段主拉应力约呈90°过渡，且在墩顶外侧位置最大。

3)大偏心受压桥墩，桥墩外侧布置预应力，相对普通钢筋布置方案，裂缝宽度减小了20%，投资节省了34%。

4)门式刚构桥桥墩布置了预应力，塑性铰开展复杂，高烈度区域需专题研究。