大跨下承式单肋钢管混凝土人行拱桥设计.pdf

2 0 1 4年第 1 期 西南公路 XI NAN GO NG L U 大跨下承式单肋钢管混凝土人行拱桥设计 卢小锋 田波 ( 四川省 交通运输厅公路规 划勘察设计研 究院9) 1 1 成都 6 1 0 0 4 1) 【 摘 要 】高翔东路人行桥采用单跨 1 0 0 ． 5 m下承式单肋钢管混凝土拱桥 。主拱肋采用 1 2 0 0 ~ 2 6～ | 8 ram钢管混凝土结构，矢跨比 1 ／ 6 的悬链线拱，拱肋钢管采用无缝钢管或直缝焊接钢管，管内混凝土采用 C 5 0自密实补偿收缩砼 ，主梁采用单箱双室钢箱梁，吊杆采用刚性 吊杆 ( GL G 4 6 0 一 uu型铜拉杆 )，两端采 用销轴 与拱 肋 、主梁连接 ，主墩采 用直径 1 ． 4 m的钢筋 混凝 土 圆柱墩 ，桩基础 为嵌岩桩 。经结构分 析验算 ． 人行桥结构的内力、变形、稳定均满足规范要求，人致振动分析表明在正常使用荷载和不利荷载作用下人行 舒适 性均能满足规范要 求。 【 关键词 】 钢管混凝土；钢箱梁；刚性吊杆；结构分析 【 中图分类号 】U 4 4 8 ． 2 2 2 【 文献标识码 】A 1 工程概况 高翔东路人行桥位于成都市武侯区与锦江区交 界 的锦江河上，现状河道规划河堤边线 8 5 m，桥位 右岸为白云小区和将军楼 ，左岸为翡翠城小区 ，左 岸上游为东湖公园。本人行桥设计主要为了解决锦 江两岸的人行交通 ，桥梁东侧为已建成的公园绿化 带 ，西侧为在建的沿河绿化带 ，场地地形平坦 ，地 面高程 4 9 1 ． 1 0～4 9 1 ． 9 2 m，场地地貌属岷江水系 I 级 阶地 。根据钻 孑 L 资料显 示 ，在钻孑 L 揭露 深度 2 7 m范 围 内 ，地 基 土从 新 至 老依 次 为人 工填 土 ( Q )、第 四系全新统 (Q )冲洪积层卵石土 以及 白垩系上统灌 口组 ( K， 。 )泥岩 。 2主要技术标准 (1)设计荷载 ：人群荷载 5 ． 0 k N ／ m ；栏杆推 力 2 ． 5 k N ／ m。 ( 2) 人行桥主桥宽度 ：总宽 7 ． 0 m。 ( 3)梯步宽度 ：3 ． 0 m。 ( 4) 地震基本烈度 ：7 度；地震动峰值加速度 值为0 ． 1 0 g，抗震设防措施8 级。 ( 5) 航道标准：航道等级 ：Ⅵ一 ( 2 ) 级 ；双向通 航净空：净6 4 ~ 6 m。 ( 6) 设计安全等级 ：一级。 ( 7) 设计洪水频率 ：1 ／ 2 0 0。 ( 8) 环境设计类别 ： I 类。 ( 9) 相对湿度 ：多年平均为8 2 ％。 (1 0) 结构使用基准期 ：1 0 0 年。 3 桥型方案的选择 根据通航安全影响论证报告 ，桥式方案在左岸 下河心村枢纽船闸上引航道通航水域内不得设置桥 墩，拟采用一跨过河的桥式方案。 初步设计 阶段考虑了单肋钢管混凝土下承式拱 桥方 案 、下承式钢箱拱桥方案和双塔斜拉桥方案 ( 见表 1)。综合造型 、结构功能、施工方案 、工 程造价 、后期运营管理等 ，单肋钢管砼拱桥方案最 为适宜，作为推荐方案 ( 见图 1 、图2)。 图 1 推荐 方案主桥立 面布置 图 【 收稿 日 期 】 2 0 1 4 ． 0 3 — 0 4 【 作者简介 】 卢小锋 ( 1 9 7 8 一 )，男，重庆垫江人，工程师，硕士研究生，主要从事桥梁设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 西南公路 塑置 0 Z 9 5 2 5 5 ． 1 3 41 I } l 3 4I ． 2 5 5 ． 2 9 ． 3 c m,~毛面花岗石 2 c m厚环氧砂浆垫层 环 氧 树 脂 粘 结 层 fjlr 厂 ] ， 、厂 _ ] ! 鱼 口 图 2 推荐方案主桥横断 面布置 ( 单位 ：c m ) 表 1 桥 型方案对 比表 方案一 ：单肋钢 方案二 ：单肋钢 方 案三 ：双塔钢 管混凝土桥 箱拱桥 箱梁斜拉桥 项 目 丽黑曩 豳 圜 目 鞣 曩 _ 造型 简洁优美 优美 优美 施工 结构简单、施工 结构相对方案一 结构复杂、索塔 容易。 复杂， 施工难度 以及下部结构施 难易 稍 大。 工难度大。 总投资 2 2 3 4 万元 2 4 0 8 万元 2 9 4 8 万元 后期运 营管理 方便 方便 难度大 施工工 期( 月) 6 7 8 4主桥结构设计 4 ． 1 主桥拱肋 主跨跨径 1 0 0 ． 5 m，主拱肋为矢跨 比1 ／ 6 的悬链线 拱。计算矢高 1 6 ． 2 5 m，拱轴系数m= 1 ． 1 6 7 。拱肋直径 1 ． 2 m，从 拱脚 到拱 顶分 别采 用壁 厚 为 2 6 、 2 2 、 1 8 m m~种钢管。管内混凝土采用 C 5 0自密实补偿收 缩砼。拱肋钢管采用Q 3 4 5 C，可采用无缝钢管或直缝 焊接钢管，不得采用螺旋焊管。拱肋预拱度线型采用 二次抛物线型。拱肋分成 6 个 吊装节段和一个合拢 段。拱梁结合部位构造如图3 ，拱脚钢管与主梁顶 板、横隔板焊接，并在钢管内以及钢箱梁内设置若干 加劲板以加强钢结构局部构件的强度和稳定性能。 图 3 拱 梁结合段 构造剖 面图 ( 单位 ：ml n) 4 ． 2主桥主梁 主梁采用单箱双室钢箱梁 ，Q 3 4 5 C钢材 ，桥面 全宽 7 m，跨 中梁高 1 ． 0 m，梁端高度 1 ． 8 m。顶板厚 1 2 m m，底板厚 1 6 mm，腹板厚 1 2 mm，顶 、底板加 劲肋厚 1 2 mm，腹板纵向加劲肋厚 1 2 m m，横隔板厚 1 0 m m。考虑运输条件的限制 ，钢箱梁分段在工厂 制造 ，工地安装 。钢箱梁分为标准节段和拱脚端节 段 ，标准节段分为3 ． 5 m和4 ． 2 5 m两种类型，端节段 为 6 m。 拱梁固结 ，主梁同时兼做系杆平衡主拱推力。 4 ． 3 吊杆 主 桥 吊杆 共 设 1 3 根 ，拱 脚 吊杆 距 离 拱 脚 6 ． 7 5 m，其余 吊杆间距为7 m。吊杆采用刚性吊杆， 材质为GL G 4 6 0 ． u u型钢拉杆 ，杆体直径为7 5 mm， 屈 服强度 为 4 6 0 MP a ，吊杆 材料参 考 《 钢 拉杆 》 G B ／ T 2 0 9 3 4 ． 2 0 0 7，吊杆两端采用销轴与拱肋 、主梁 连接。吊杆安全系数大于2 ． 5 。 4 ． 4 主桥下部结构及支座布置 主墩采用直径 1 ． 4 m的钢筋混凝土圆柱墩，桩基 础采用直径 1 ． 5 m钻孔灌注桩 ，桩基础为嵌岩桩。在 主桥两端各设置两个矩形 固定型高阻尼隔震橡胶支 座 ( H D R ( I) ． 4 5 0 ~ 5 5 0 ． G 8 ／ 8)，尽 可能增 大主桥 两 端支座横向间距 ，以提高桥梁整体的稳定性 ，支座 间距 4 ． 7 m，全桥共设置四个。梯步 、缓坡道通过主 桥墩桥墩盖梁挡块顶布设两个 G Y Z F 1 7 5 x 3 5 滑板式 橡胶支座与主桥衔接 ( 见图4)。 2 5 5 ． ． 3 4 ． 3 4 , ． 2 5 5 图 4 主桥 下部及 支座布 置 ( 单位 ：c m ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 卢小锋，田波：大跨下承式单肋钢管混凝土人行拱桥设计 5 结构分析计算 5 ． 1 静 力分析 (1 )总体静力计算。 采用 Mi d a s C i v i l 软件，对桥梁结构进行内力、变 形分析。全桥计算模型如图5 所示 ，其中，拱肋 、主 梁采用梁单元模拟，吊杆采用只受拉桁架单元模拟。 图 5静 力计算模型 图 运营阶段 ，人群荷载布置按图6 所示方式进行 布载，选取其中最不利状态进行验算。 a 全桥布载 b 1 ／ 2 侧布载 [二] E三 e 1 ／ 4 反对称布载 图6人群荷 载布置形式 拱肋在最不利荷载组合作用下 ，拱肋上缘混凝 土 最 大 压 应 力 为 1 5 ． 9 MP a ，钢 管 最 大 压 应 力 为 1 0 0 ． 9 MP a ，最大拉应力为 1 2 ． 4 MP a ；拱肋下缘混凝 土 最 大 压 应 力 为 1 0 ． 9 MP a ，钢 管 最 大 压 应力 为 6 9 ． 1 MP a ，最大拉应力为3 2 ． 0 MP a ； 主梁在最不利荷载组合作用下，上缘最大拉应 力为 6 9 ． 3 MP a ，最大压应力为 4 7 ． 9 MP a ；下缘最大 拉应力为 8 2 ． 8 MP a ，最大压应力为 1 3 ． 4 MP a ； 剪应 力 最大 为 4 9 MP a ，最 小 为 3 3 ． 9 MP a 。各 应 力计算值均小于规范容许值。 ( 2)吊杆内力。 运 营 阶段 吊杆 最大拉 力 为 5 4 2 k N，吊杆安 全系 数为2 ． 9 。 ( 3)支座反力计算。 单个支座竖向最大反力为 2 7 5 7 k N，最小反力为 1 9 8 0 k N。各工况下未出现负反力。 ( 4)位移计算 。 表 2 挠度计 算结果 ( c m ) 阶段 拱肋 主梁 二期恒载 3 -2 3 ． 4 运营阶段( 正) 1 O ．2 1 O ． 4 运 营阶段 f 负) - 2 ． 5 - 2 ． 4 在人群荷载作用下 ，拱肋最大竖 向挠度 ( 正负 挠度绝对值之和 )为 1 2 ． 7 c m，小于 《 钢管混凝土拱 桥技术规程 》要求值 L ／ 6 5 0 = 1 5 ． 6 c m；在人群荷载作 用下 ，主梁最大竖向挠度 ( 正负挠度绝对值之和 ) 为 1 2 ． 8 c m，小于 《 钢管混凝土拱桥技术规程》要求 值 L ／ 5 0 0 = 2 0 ． 1 c m。 ( 5) 拱肋承载能力计算。 经验算，钢管拱肋强度承载能力、钢管拱肋稳 定承载能力均满足规范相应要求。 ( 6) 端节段局部分析应力计算结论。 端节段局部分析计算采用通用有限元分析软件 A NS YS，建立箱梁三维实体模型，如图7 所示 ，模 型中，在拱角拱肋处施加拱肋传下来的节点荷载 ， 在 主梁 出施加主梁传来 的荷载 ，在支座处施加竖 向、水平向及纵向约束。其应力分析见表 3 。 图 7 端节段局部分析有 限元模型 图 表 3 端节段局部分析应力 荷载工况 应力最大值 ( MP a ) 顶板 正应力 8 0 底板 正应力 8 0 直腹板 正应力 1 2 0 斜腹板 正应力 7 0 横 隔板 剪应力 8 0 后推板 正应力 1 1 0 加劲板 正应力 1 2 O 支座板 剪应力 l 2 O 承压板 正应力 7 0 承压支撑板 剪应力 7 0 各构件应力均小于规范容许值。 ( 7)上下吊点局部分析应力计算。 上下吊点局部分析计算采用通用有限元分析软 件A NS YS，建立三维有限元分析模型如图8 。 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 西南公路 上 币点模型 下吊点模 型 图 8上下 吊点局部 分析 有限元模 型图 上吊点最大等效应力：纵向加劲板应力 1 9 1 MP a ， 销栓孔加劲板应力等效应力为2 0 8 MP a ，环向加劲板 应力 5 9 MP a 。 下吊点最大等效应力 ：吊耳应力 2 2 6 MP a ，环向 加劲板应力 1 8 7 MP a ，吊耳两侧竖向加劲板 ( 桥面以 上 )应力 1 2 6 MP a，吊耳 两侧 竖 向加劲 板 ( 桥 面 以 下 )应力 6 6 MP a ，吊耳 中间竖 向加劲板 ( 桥面以 上 ) 应力 1 2 6 MP a 。 吊点的最大等效应力最小于规范容许值。 5 ． 2 稳定计算 稳定计算结果见表4 。 表 4运营阶段前四阶稳定 系数 序号 稳定系数 失稳模态描述 l 9 ． 7 0 拱肋一 阶横弯失稳 2 l 1 ． 7 l 拱肋二 阶横弯失 稳 3 2 8 ． 0 3 拱肋三 阶横弯失稳 4 3 2 ． 6 8 拱肋 四阶横弯失稳 计算分析表明，整体失稳首先为横弯失稳 ，但 稳定 系数较大 ，结构整体稳定性较好 5 ． 3 人行振动分析研 究 (1)动力特性 分析。 对建立的全桥有限元模型进行动力分析 ，提取 全桥的前 1 0 阶频率和振型，如表 5 所示 。根据国外 最新 修 订 的人 行桥 规范 B S 5 4 0 0(B D／ 0 1 )和 E N 1 9 9 0认为，人行桥竖向基频小于3 H z ，横向基频小 于 1 ． 5 H z 时，应当进行人致振动分析和评估。 表 5 全桥前 1 O阶频 率和振 型 模态序号 频率ff I z 1 振型描述 1 0 ．4 3 0 拱肋 一阶横 弯 2 o ． 8 3 2 主梁一阶竖弯 3 l _ 2 1 9 拱肋二阶横弯 续表5 模态序号 频率( Hz ) 振型描述 4 1 ． 8 7 7 主梁二阶竖弯 5 2 ． 4 1 2 拱肋i阶横弯 6 2 ． 5 1 0 主梁一阶横弯 7 2 ．7 7 4 主梁三阶竖弯 8 3 ．3 6 7 主梁 四阶竖弯 9 4 ．0 1 6 拱肋 四阶横 弯 1 O 5 ． 1 8 3 主梁五阶竖 弯 (2)对该人行 桥结构模 型进行人行振 动分 析 ，评估该桥在正常使用荷载和不利荷载作用下人 行舒适性是否能满足要求。分析结论如下： 通过桥梁结构的模态分析可知 ，该桥的主梁二 阶竖弯对应的频率为 1 ． 8 7 7 H z，接近人行荷载竖向的 平均激励频率 ( 约为2 Hz)，主梁一阶横弯的频率 为2 ． 5 1 0 H z ，远离人行荷载横向的平均激励频率 ( 约 为 1 H z)。可以初步预测 ，人行荷载更容易激发出 该桥竖 向的振 动。 采用人群荷载强迫激励下的振动响应分析 ，得 到横向加速度峰值为 0 ． 0 0 1 3 m ／ s ≤0 ． 1 m／ s ，竖 向加 速 度峰 值 为 0 ． 0 4 0 0 m／ s ≤ 0 ． 5 m／ s 。舒适 性 评价 为 “ 最好 ”。 6 总体施工方案 全桥采用搭设栈桥拼装主梁 ，搭设 门式框架支 架拼装主拱 ，采用先成梁再成拱的施工方式。 在锦江河上搭设跨河施工栈桥 ，作为本工程的 钢结构主要施工平台。施工栈桥由滑移栈桥和吊装 栈桥组成 ，其 中滑移栈桥主要 负责主桥 的滑移安 装 ，主梁采用顶推法分段拼装后顶推到位。吊装栈 桥主要负责钢管拱 、吊杆 、上部支撑等构件的运 输 、安装及临时措施的拆 除作业平台，主拱采用汽 车吊机分段吊装后在支架上拼装。 7 小结 高翔东路人行桥主桥采用下承式单肋钢管混凝土 拱桥，全桥结构构件采用焊接连接，钢结构工厂制作， 现场安装，施工工期短。结构强度、变形、稳定陛能、 人行舒适性均能满足规范要求，又满足了景观要求。 参考 文献 [ 1 】袁旭斌， 孙利民． 人行桥人致振动特性研究 [ D ] ． 上海： 同济大学， 2 0 0 6 ． [ 2 ]陈政清， 刘光栋． 人行桥的人致振动理论与动力设计 【 J 】． 工程力学， 2 0 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m