杭州市運(yùn)河主跨145 m 人行橋反向芬克式桁架方案技術(shù)可行性論證

姚 政

（杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江 杭州 310004）

0 引 言

運(yùn)河人行位于杭州市大城北拱墅區(qū)運(yùn)河新城單元，區(qū)塊內(nèi)跨越京杭運(yùn)河的橋梁有北側(cè)的上塘高架與南側(cè)的石祥路，相距約940 m，行人、非機(jī)動(dòng)車過河要繞行較遠(yuǎn)的距離。為了方便兩岸聯(lián)系，縮短居民、游客過河的時(shí)間，需要建設(shè)人行橋。

人行橋經(jīng)過橋梁、景觀、水利、通航等專家論證，并經(jīng)過規(guī)劃部門批準(zhǔn)采用22.5 m+145 m+22.5 m 反向芬克式桁架橋，橋梁全長(zhǎng)190 m，橋梁全寬按9 m設(shè)計(jì)。計(jì)算荷載：人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)》（CJJ 77—98）執(zhí)行，取值4.0 kN/m2?？拐鹆叶龋旱卣鸹玖叶? 度[1-5]。

1 橋位選擇

橋位選擇一般遵循以下基本原則：

（1）橋梁跨度應(yīng)滿足最小的航寬要求;

（2）河道、河岸線順直，河床、河勢(shì)基本穩(wěn)定;

（3）橋墩應(yīng)避開河道主流和主航槽,尤其是枯水航槽;

（4）工程地質(zhì)、水文地質(zhì)較好、橋址處局域地質(zhì)穩(wěn)定；

（5）河面水域相對(duì)較小，以減小橋梁長(zhǎng)度，降低橋梁造價(jià)；

（6）兩岸被交道路接線順暢，與兩岸城市規(guī)劃和岸線利用相協(xié)調(diào)。

根據(jù)橋址河段兩岸河岸線現(xiàn)狀與建筑規(guī)劃條件，初步擬定上塘高架北側(cè)與南側(cè)的石祥路中間選擇建橋位置。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)采用反向芬克式桁架橋，橋梁跨徑布置為22.5 m+145 m+22.5 m，全長(zhǎng)190 m，橋梁全寬9 m（不含風(fēng)嘴），橋頭通過樓梯與地面銜接。結(jié)構(gòu)采用單榀桁架與鋼箱梁組合結(jié)構(gòu)，鋼箱梁梁高1.8 m，箱梁兩側(cè)各設(shè)置風(fēng)嘴，以提高抗風(fēng)穩(wěn)定性；橋塔、撐桿皆采用鋼結(jié)構(gòu)，橋塔采用變截面圓形結(jié)構(gòu)，橋面以上高度18 m；全橋共設(shè)置撐桿8 個(gè)，高度從4.88～11.70 m變化不等，撐桿頂幾何外形為二次拋物線矢跨比1∶5，撐桿、塔頂設(shè)彩色燈帶，以提高夜間景觀效果。反向芬克式桁架橋梁整體造型輕盈、通透、結(jié)構(gòu)新穎（見圖1～圖3）。

圖1 橋型立面圖（單位：cm）

圖2 橋型平面圖（單位：cm）

圖3 撐桿處主梁斷面圖（單位：cm）

2.2 下部結(jié)構(gòu)

橋梁采用塔梁固結(jié)、塔墩分離的結(jié)構(gòu)，主墩采用承臺(tái)鉆孔樁基礎(chǔ)，承臺(tái)厚3 m，下設(shè)4 根直徑1.5 m的鉆孔樁。橋臺(tái)處設(shè)直徑1.2 m 的鉆孔樁兩根，地面與橋面采用樓梯接連，臺(tái)階坡度滿足自行車和推行要求（見圖4）。

圖4 主墩斷面圖（單位：cm）

2.3 橋面系

人行道系采用支撐縱梁與橫向蓋板組合形成，人行道鋪裝采用彩色面磚鋪裝，欄桿采用不銹鋼/ 炭素鋼復(fù)合管。

2.4 施工方法

橋塔、撐桿、主梁工廠分段預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)焊接、拼裝（水中設(shè)置臨時(shí)支墩），下部結(jié)構(gòu)棧橋施工、現(xiàn)場(chǎng)澆筑。

3 靜力結(jié)構(gòu)分析

3.1 上部結(jié)構(gòu)靜力分析

計(jì)算圖示模擬：反向芬克式桁架是將芬克式桁架倒置，把原有的上承式桁架變?yōu)橄鲁惺借旒?，并將這種新型結(jié)構(gòu)體系命名為反向芬克式桁架，目前其理論研究仍然處在初步階段，國(guó)內(nèi)還沒有專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。為運(yùn)河新城單元人行橋項(xiàng)目建設(shè)需要，本報(bào)告并對(duì)其靜、動(dòng)力特性進(jìn)行專題研究，以找到可靠的力學(xué)計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，因限于篇幅，本文做概略介紹。

本工程采用《MIDAS/civil 2018》有限元電算軟件進(jìn)行建模計(jì)算分析。程序計(jì)算時(shí)，首先輸入任意一組拉索索力，然后利用程序中的優(yōu)化模塊，指定結(jié)點(diǎn)位移、拉索內(nèi)力和主梁應(yīng)力為約束條件，通過優(yōu)化求解，得到一組滿足位移、應(yīng)力和索力要求的目標(biāo)函數(shù)，即成橋索力。結(jié)合本橋特點(diǎn)，控制條件中盡量放寬主梁應(yīng)力及位移，在主梁應(yīng)力及位移滿足規(guī)范要求的前提下，盡可能降低拉索內(nèi)力，從而降低撐桿壓力，減小撐桿截面，使橋梁受力合理。計(jì)算內(nèi)容主要包括主粱應(yīng)力、撐桿應(yīng)力、吊桿應(yīng)力、主粱撓度以及結(jié)構(gòu)特征值分析等內(nèi)容。橋梁共分105 個(gè)單元，88個(gè)節(jié)點(diǎn)（見圖5）。

圖5 Mida s 計(jì)算模型

3.2 主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果

主梁應(yīng)力計(jì)算成果：基本組合下主梁上緣最大壓應(yīng)力135 MPa，最大拉應(yīng)力163 MPa，主梁下緣最大壓應(yīng)力173 MPa，最大拉應(yīng)力180 MPa。主梁最大剪應(yīng)力26 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 撐桿應(yīng)力計(jì)算成果

基本組合下桅桿最大壓應(yīng)力161 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.4 拉索內(nèi)力

拉索內(nèi)力見表1。

表1 拉索內(nèi)力表

小結(jié)：標(biāo)準(zhǔn)組合下吊桿安全系數(shù)＞3.0，滿足規(guī)范要求。

3.5 由人群荷載計(jì)算最大豎向撓度

人群荷載計(jì)算最大豎向撓度見圖6。

圖6 人群荷載計(jì)算最大豎向撓度

在人群荷載作用下最大豎向撓度為22.8 cm＜L/450=32.2 cm，撓度滿足要求。

3.6 人行橋自振頻率驗(yàn)算

自振模態(tài)特征值見表2。

表2 自振模態(tài)特征值

從以上計(jì)算結(jié)果知可，橋梁前三階自振頻率為0.74 Hz，1.38 Hz，1.94 Hz，分別為豎向振動(dòng)，水平振動(dòng)，豎向振動(dòng)。橋粱自振頻率較低，，均不能達(dá)到人行橋規(guī)范要求頻率范圍。宜設(shè)置合適的阻尼器來減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。下一階段設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行人致振動(dòng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)和地震響應(yīng)分析。

4 施工方案簡(jiǎn)介

橋梁施工主要步驟：

（1）孔灌注樁采用機(jī)械成孔，完成樁基、承臺(tái)、橋墩以及臨時(shí)墩施工；

（2）搭設(shè)臨時(shí)支架、采用少支架法安裝鋼箱梁；

（3）安裝邊跨主梁壓重塊，安裝主塔和橫撐、張拉斜拉索并觀測(cè)鋼箱梁在施工過程中的變形，及時(shí)記錄鋼箱梁撓度，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，以指導(dǎo)施工進(jìn)程；

（4）拆除臨時(shí)支墩，再安裝跨中附近橫撐、張拉斜拉索；

（5）安裝欄桿、施工橋面系；

（6）調(diào)整成橋索力；

（7）完善橋面系；

（8）鋼結(jié)構(gòu)的外表氟碳漆防腐；

（9）竣工運(yùn)營(yíng)。

5 下一階段尚需要進(jìn)行研究工作

本工程橋梁主跨145 m，采用單索面結(jié)構(gòu)，為世界最大跨徑單索面反向芬克式桁架結(jié)構(gòu)橋，在設(shè)計(jì)方面尚無先例可循。下階段橋梁設(shè)計(jì)將主要在以下三個(gè)方面開展研究研論證工作：

（1）結(jié)合相關(guān)詳規(guī)，對(duì)橋型方案進(jìn)行優(yōu)化、深化設(shè)計(jì)。

（2）橋梁靜力性能研究

a. 壓桿穩(wěn)定研究；

b. 主梁偏載作用下的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定研究。

（3）橋梁動(dòng)力性能研究

a. 人致橋梁振動(dòng)研究；

b. 地震作用研究；

c. 風(fēng)振研究。