鄭州十七里河公園景觀橋結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

常建寶 胡小波

(1.中聯(lián)環(huán)股份有限公司 福建廈門 361004； 2.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)第六設(shè)計院有限公司 安徽合肥 230031)

鄭州十七里河公園景觀橋結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

常建寶1胡小波2

(1.中聯(lián)環(huán)股份有限公司 福建廈門 361004； 2.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)第六設(shè)計院有限公司 安徽合肥 230031)

鄭州十七里河公園景觀橋?qū)儆谌诵芯坝^橋。尺寸和荷載等級不同于傳統(tǒng)車行拱橋，文章分析了傳統(tǒng)拱橋、鋼桁架拱橋的優(yōu)缺點之后，結(jié)合景觀橋的自身特點，去除了傳統(tǒng)拱橋的主要受力構(gòu)件-拱圈，使得變截面大梁成為主要受力構(gòu)件，形成了無拱圈的輕型橋體結(jié)構(gòu)。對變截面大梁采用兩種邊界假定進行平面應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)變截面大梁對縱向位移極為敏感。為此通過建立橋-樁整體模型，根據(jù)位移和樁數(shù)的相互依存關(guān)系，采用通過工程經(jīng)驗預估樁數(shù)，反復調(diào)整樁數(shù)使得大梁配筋在一個合理范圍內(nèi)的設(shè)計方法。

景觀橋;拱圈;變截面梁;平面應(yīng)力單元;有限元

0 引言

鄭州十七里河公園位于龍湖鎮(zhèn)區(qū)的東北部，向南緊鄰繞城高速，東臨新鄭快速路。該橋是連接十七里河南岸和北岸的唯一通道，造型偏法式，外觀屬于單孔拱橋，橋面設(shè)置歐式景觀燈柱，外貼石材，以打造出復古的效果。

1 方案比選

該橋?qū)儆谌诵芯坝^橋，橋面荷載按照人行天橋技術(shù)規(guī)范[1]第3.1.3條規(guī)定取值5kPa，橋凈跨27.4m，圓弧拱矢高3.827m，橋面寬5m，橋面不允許車輛行駛，從橋的體量、跨度、荷載等級來看，不同于常見的行車拱橋[2-4]。拱橋設(shè)計的重點主要在于拱相關(guān)部位的設(shè)計，因此，設(shè)計之初考慮了3種方案，方案示意圖分別如圖1～圖3所示。

圖1 方案一示意圖

圖2 方案二示意圖

圖3 方案三示意圖

方案一是傳統(tǒng)的拱橋構(gòu)造，由拱圈和上部結(jié)構(gòu)組成，拱圈是主要承力構(gòu)件；方案二去除拱圈，設(shè)置兩片變截面大梁承擔橋面荷載，變截面大梁為主要承力構(gòu)件；方案三是鋼桁架拱橋，桁架拱為主要承力構(gòu)件。拱橋的設(shè)計重點在于如何合理解決拱腳的抗推問題，方案一相比方案二，上部結(jié)構(gòu)抗扭剛度較大，整體性好，但是自重大，必定引起較大的拱腳推力，同時造價比方案二高。自重最輕應(yīng)是方案三的鋼桁架拱方案，雖已建成鋼桁架拱橋數(shù)量很多，但防腐一直是鋼結(jié)構(gòu)的弊端，該橋?qū)儆谑彝怃摻Y(jié)構(gòu)，并且是貼近水面的潮濕環(huán)境，防腐問題就更為突出。雖方案二整體抗扭剛度較弱，但是相較于一般的人行景觀橋來說，荷載較車行拱橋小很多，抗扭問題并不突出。同時上部結(jié)構(gòu)簡潔，相對于傳統(tǒng)拱橋結(jié)構(gòu)形式，自重減小幅度大，可以有效減輕兩側(cè)拱腳部位的推力，綜合比較，最終選擇方案二。方案一和方案三有很多已建成的案例可查詢，但是方案二卻沒有已建成案例可參考。很顯然，方案二的關(guān)鍵點在于如何合理地判定變截面大梁的力學特征。

2 整體結(jié)構(gòu)受力模型分析

2.1 結(jié)構(gòu)概述

橋體結(jié)構(gòu)主要由橋面板、橋面梁、變截面大梁、兩側(cè)槽型橋臺、兩側(cè)框架、兩側(cè)端部擋墻、厚筏板和灌注樁組成，如圖4所示。

圖4 橋結(jié)構(gòu)軸測圖

圖5 結(jié)構(gòu)平面圖

圖6 結(jié)構(gòu)立面圖

其中橋凈跨27.4m，橋面寬5m。橋臺為槽型，翼緣寬度為3m，厚400mm，端部設(shè)置600mm×600mm的端柱，腹板厚300mm。變截面大梁跨中高1484mm，根部高5311mm，梁寬300mm。兩側(cè)框架柱截面為450mm×450mm方柱，框架梁截面為300mm×500mm。兩側(cè)端部擋墻厚度為300mm。橋面板厚200mm，橋面次梁截面為300mm×500mm?；A(chǔ)筏板厚1000mm。每側(cè)橋臺下方設(shè)置9根15m長,Φ800灌注樁，其余位置設(shè)置10m,長Φ800灌注樁。平面布置圖如圖5所示，橋型立面布置如圖6所示。

2.2 變截面大梁受力分析

2.2.1 分析概述

橋體結(jié)構(gòu)分析采用midas.gen進行，分析的關(guān)鍵在于變截面大梁，雖稱之為梁，但是底部呈圓弧拱狀，受力不同于典型的梁單元，相較于典型梁單元，內(nèi)部存在較大的軸向力。截面內(nèi)力在梁寬度方向為恒定值，采用平面應(yīng)力單元[5]進行單元劃分，把橋面恒活載轉(zhuǎn)換成節(jié)點荷載，施加在單元中面，進行細部分析，得出單元應(yīng)力，再通過積分的方式得出截面內(nèi)力。橋面板、基礎(chǔ)筏板和槽型橋臺采用板單元模擬，梁、柱和樁采用梁單元模擬，整體計算得出內(nèi)力之后根據(jù)規(guī)范[6]進行配筋。此種方式計算較為耗時，在計算橋豎向自振頻率時，采用把梁沿長度方向分為若干約1m長度梁段，布置變截面梁來模擬，提高計算速度。

2.2.2 分析比較

拱橋的主拱對于縱向位移極為敏感，除位于地基較好的山區(qū)之外，平原地區(qū)多數(shù)拱橋的橋臺采用樁基礎(chǔ)抗推。對于這種底部拱狀的變截面梁單元是否也對縱向位移較為敏感，設(shè)計之初僅僅建立變截面大梁和兩側(cè)橋臺進行分析，假定橋臺底部為固定端，應(yīng)力計算結(jié)果如圖7所示。通過積分可以得出跨中截面N=-1113kN;M=440.45kN·m，支座處截面N=-557.7kN；M=2327.5kN·m得出大梁跨中截面和支座截面受力類型均為偏壓，結(jié)合拱的受力特點，這種計算結(jié)果是以橋臺底端沒有位移為前提。

假定大梁產(chǎn)生了1.78mm縱向位移，其縱向應(yīng)力計算結(jié)果如圖8所示，豎向應(yīng)力計算結(jié)果如圖9所示。通過積分可以得出跨中截面N=422.94kN;M=545.1kN·m，支座處截面N=-416.99kN；M=2468.1kN·m，得出大梁跨中截面受力類型為偏拉，支座截面受力類型為偏壓。與圖7對比，可以看出大梁對縱向位移也同樣極為敏感，當無位移時是偏壓，產(chǎn)生1.78mm的縱向位移時，跨中截面受力類型由偏壓變成偏拉。如何得到結(jié)構(gòu)實際縱向位移對獲得變截面大梁真實內(nèi)力至關(guān)重要。

同時橋臺根部彎矩也同樣是設(shè)計重點，根據(jù)整體模型的橋臺端部豎向應(yīng)力云圖如圖9所示。計算結(jié)果可以得到根部N=-918kN；M=923.4kN·m，根據(jù)混凝土規(guī)范[6]可以得出槽型橋臺端柱的配筋。

圖7 變截面大梁縱向應(yīng)力云圖(非整體建模)

圖8 變截面大梁縱向應(yīng)力云圖(整體建模)

圖9 橋臺端部豎向應(yīng)力云圖(整體建模)

2.3 結(jié)構(gòu)整體分析

常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計都是將上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)分開計算。通過上述分析可知，結(jié)構(gòu)的縱向位移對結(jié)構(gòu)受力起到控制作用，若不能精準模擬整個結(jié)構(gòu)縱向變形，就不能夠得到變截面大梁的真實設(shè)計內(nèi)力，因此必須采用非常規(guī)的設(shè)計計算措施。為了進一步了解和探究變截面大梁的力學特征，建立了橋——樁整體模型，根據(jù)地質(zhì)報告將土的基床系數(shù)輸入樁周，等效成土彈簧模擬樁周土對樁的約束，基床系數(shù)按照粉土的常用值取值為20 000kN/m3。把樁沿長度分割成段，每段長度1m，在樁段每個節(jié)點處施加兩個方向彈性約束，該土彈簧剛度為16 000kN/m，樁端施加兩個水平方向約束和一個縱向約束。

結(jié)構(gòu)中縱向位移的大小跟樁數(shù)有關(guān)，樁數(shù)取決于樁的水平承載力，而根據(jù)樁基規(guī)范[7]可知，樁的水平承載力取決于樁端允許的水平位移,即縱向位移和樁數(shù)是相互依存的關(guān)系。設(shè)計過程中首先結(jié)合已建部分拱橋案例，根據(jù)工程經(jīng)驗選取樁數(shù)，而后進行內(nèi)力分析，變截面大梁根據(jù)內(nèi)力配筋。此時，注意兩點：①配筋結(jié)果必須滿足混凝土規(guī)范[6]的要求，且必須在一個合理的范圍；②由縱向位移計算得到的樁水平承載力須大于變截面大梁端部水平推力。具體分析流程如圖10所示。

圖10 結(jié)構(gòu)分析流程圖

通過反復試算，當橋臺底部選擇9根15m長，Φ800灌注樁時，變截面大梁跨中、支座、橋臺應(yīng)力云圖如圖8～圖9所示，計算得出最大縱向位移為1.78mm，位移圖如圖11所示。群樁水平承載力預估值為414kN,而結(jié)構(gòu)在1.78mm縱向位移情況下的縱向推力僅為192kN,可見結(jié)構(gòu)不由樁基水平承載力控制，而是由位移和變截面大梁截面內(nèi)力控制。若縱向位移較大，變截面大梁內(nèi)力急劇增大，導致配筋極度不合理，為使變截面大梁的配筋在一個合理的且可接受的范圍內(nèi)，須嚴格控制縱向位移。

圖11 縱向位移圖

3 其他注意事項

(1)變截面大梁底部圓弧凹面的存在，使得弧形縱向鋼筋受力類似于內(nèi)折角，在鋼筋拉應(yīng)力作用下，梁底部有拉裂的危險，必須根據(jù)公路橋梁混凝土規(guī)范[8]第9.3.15條驗算箍筋強度。

(2)梁支座處受較大彎矩，為保證上部縱向鋼筋有效錨固，不宜直接錨固在鄰近端柱，應(yīng)穿過鄰近端柱，宜豎直錨固于另一側(cè)端柱。

(3)梁支座下部會受較大的壓應(yīng)力，設(shè)計過程中必須保證壓應(yīng)力不得超過混凝土抗壓強度設(shè)計值，否則應(yīng)采取措施，例如增加抗壓鋼筋網(wǎng)、增大變截面大梁寬度或者提高混凝土強度等級。

(4)雖建立了橋-樁整體計算模型，由于計算假定不能滿足真實邊界條件，計算單元僅考慮彈性階段受力，未考慮到材料的彈塑性性質(zhì)，不能夠僅依賴計算結(jié)果，須結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗綜合判定結(jié)構(gòu)是否安全。

4 結(jié)語

(1)景觀橋在尺寸和荷載等級不同于車行橋，分析了傳統(tǒng)拱橋、鋼桁架拱橋的優(yōu)缺點。根據(jù)景觀橋自身特點，除去了傳統(tǒng)拱橋的主要受力構(gòu)件——拱圈，使得變截面大梁成為主要受力構(gòu)件，形成了輕型橋體結(jié)構(gòu)，有效減輕了上部結(jié)構(gòu)的自重，進而減小了兩側(cè)橋

臺的抗推壓力。又較于鋼桁架拱橋有良好的耐久性和抗腐蝕性，采用變截面大梁結(jié)構(gòu)方案有較強的優(yōu)越性。

(2)針對變截面大梁截面特點，不能采用建筑結(jié)構(gòu)中常用的梁單元模擬。為得到正確的變截面梁內(nèi)力，采用平面應(yīng)力單元進行單元劃分，采用有限元法分析，得到截面應(yīng)力，再通過積分計算出截面軸力、彎矩和剪力。

(3)通過建立橋-樁整體模型，采用土彈簧對樁進行約束，模擬樁的受力狀態(tài)進行分析，可以清晰得知縱向位移對梁內(nèi)力的影響。針對縱向位移和樁數(shù)相互依存的關(guān)系，根據(jù)工程經(jīng)驗先假定樁數(shù)，然后反復調(diào)整模型，使得配筋和樁基水平承載力滿足規(guī)范要求，同時配筋也處于合理范圍內(nèi)的設(shè)計思路。

(4)由于梁底部圓弧凹面存在，不能忽視對梁箍筋驗算，同時須重視縱筋錨固和支座底部壓應(yīng)力驗算等注意事項。計算僅僅是參考手段，必須結(jié)合工程實際經(jīng)驗綜合判斷，合理采用計算結(jié)果。

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[5] 吳家龍. 彈性力學(第三版)[M]. 北京：高等教育出版社，2016.

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Structural design and research of Landscape Bridge of 17 Mile River Park in Zhengzhou

CHANGJianbao1HUXiaobo2

(1.China Union Enginerring Co.,Ltd, Xiamen 361004; 2.Sixth branch of Shanghai Municipal Enginerring Design Institute (group) Co.,Ltd, Hefei 230031)

Landscape bridge of 17 mile river park in Zhengzhou is one kind of footbridge. Both of the size and the load level is completely different to the car bridge, the advantages and disadvantages between the traditional arch bridge and steel truss arch bridge were analyzed, combined the characteristics with the landscape bridge, the arch ring which is main support part were removed , so the beam which is the variable size became the main support part, finally, light bridge structure without arch ring is formed. Two kinds of boundary conditions were used to analyze the stress of the beam, the results showed that the beam with variable cross-section is very sensitive to the longitudinal displacement, according to the engineering experiences and relationships between the displacemen and the pile numbers, method is formed by adjusting the pile numbers many times in the integral model of bridge—pile, Also , the reasonable range of the reinforcement of the beam is ensured.

Landscape bridge; Arch ring; Variable cross-section beam; Plane stress elements; Finite element

常建寶(1984- ),男，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。

E-mail:284124016@qq.com

2017-04-26

U442.5

A

1004-6135(2017)09-0071-05