一種反對稱梁拱組合人行橋受力分析

鄭建東, 陳大漢

(廈門市市政工程設(shè)計院有限公司,廈門 361015)

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，橋梁可提升城市景觀觀賞性的作用日漸突出，但目前橋梁景觀設(shè)計存在一些誤區(qū)：一是過于追求造價節(jié)約和施工便捷，造成橋梁樣式單一，無法滿足城市景觀需求；二是過于強(qiáng)調(diào)外觀的裝飾性，景觀設(shè)計與橋梁結(jié)構(gòu)受力規(guī)劃脫節(jié)，產(chǎn)生贅余構(gòu)造。如何將橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與景觀設(shè)計這兩者有機(jī)結(jié)合，讓橋梁設(shè)計更簡潔，并通過計算有效驗證橋梁的實用性，這是新橋型設(shè)計研究的熱點(diǎn)。

研究提出一種反對稱梁拱組合人行橋的設(shè)計方案，該橋型采用鏡像反對稱的建筑手法布置，融合拱橋的形態(tài)美學(xué)及梁橋的簡約特性，并利用拱圈與地面銜接布置階梯步道解決行人通行問題，力求將主體受力結(jié)構(gòu)與景觀造型協(xié)調(diào)統(tǒng)一。同時，采用有限元分析理論對該新橋型進(jìn)行綜合分析，驗證其受力性能的合理性與可靠性，為該類橋型的實施與推廣提供理論依據(jù)。

1 橋型概況

該新型人行橋一般設(shè)置于公園梯形渠道上，用于銜接堤岸與橋下親水步道。人行橋結(jié)構(gòu)分為左右2幅，單幅由半拱與梁段構(gòu)成，2個單幅橋鏡像反對稱布置，拱頂通過轉(zhuǎn)換平臺焊接成整體，梯道布置于半拱之上。斜撐順邊坡設(shè)置，其后設(shè)置搭板。承臺頂面與親水平臺順接，梁底凈空不小于2.5 m，便于橋下行人通行。反對稱梁拱組合人行橋鳥瞰圖如圖1所示[1]。

圖1 反對稱梁拱組合人行橋鳥瞰圖

該橋采用1～25 m的上承式梁拱組合橋型，拱腳間距為25 m，矢高為3.5 m，橋梁總長為40 m。單幅橋?qū)挒? m[2]，2幅橋凈距為0.3 m，轉(zhuǎn)換平臺寬為6.3 m。橋梁上部采用Q355鋼結(jié)構(gòu)箱梁，梁高取0.5～1.0 m、板厚取12～20 mm，分別進(jìn)行組合并計算分析。下部結(jié)構(gòu)采用C35混凝土，主梁端部與鋼筋混凝土斜撐固結(jié)，斜撐尺寸為3.0 m×0.8 m，下設(shè)尺寸為7.3 m×4.5 m×1.5 m的承臺以及直徑為1.0 m的灌注樁。人群荷載取4.5 kN/m2，整體升降溫取30 ℃[3]，樁底沉降取10 mm，主橋及梯道均采用薄層橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，二期恒載取8 kN/m。

2 空間模型的建立

采用有限元分析軟件MIDAS建立該橋空間模型，其中主梁、拱、轉(zhuǎn)換平臺、斜撐、承臺以及樁基均選用梁單元，全橋共有323個節(jié)點(diǎn)，306個單元。梁端與斜撐、斜撐與承臺、梁和拱部與平臺間采用彈性連接，拱腳與承臺、承臺與樁基間采用剛性連接，樁基考慮土對樁的側(cè)向約束，樁身隔一段距離布置側(cè)向約束僅受壓彈性支承，并將樁基底部固結(jié)，斜撐與土接觸側(cè)設(shè)置土彈簧支撐[4]。有限元模型[5]如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 受力特性分析

3.1 基頻

該新型人行橋上部拱、梁均采用鋼結(jié)構(gòu)箱梁，而鋼結(jié)構(gòu)橋梁一般自重偏小，相較于混凝土結(jié)構(gòu)橋梁而言動力特性較差，因此其動力作用更易影響行人通行的安全感和舒適度。恒載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率反映結(jié)構(gòu)固有的動力特性，是衡量人行橋整體狀態(tài)的重要指標(biāo)，因此分析該橋梁結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率具有重要意義。

基頻隨梁高變化(板厚16 mm)如圖3所示，當(dāng)梁高增高，橋梁一階豎向基頻變化與梁高變化呈線性遞增關(guān)系，且變化增勢明顯。該橋型取不同梁高時，基頻均滿足規(guī)范要求[2,6]。因此選取適當(dāng)?shù)牧焊呤潜ＷC該梁拱組合結(jié)構(gòu)基頻的有效措施，但應(yīng)注意盲目加大梁高也會使結(jié)構(gòu)變得笨重，失去鋼結(jié)構(gòu)橋梁輕盈的外觀結(jié)構(gòu)效果，因此設(shè)計時應(yīng)多方面計算并比較，選取合理梁高。

圖3 基頻隨梁高變化(板厚16 mm)

基頻隨板厚變化(梁高0.7 m)如圖4所示，當(dāng)結(jié)構(gòu)梁高固定不變時，隨著板厚的變化，結(jié)構(gòu)豎向一階基頻基本維持不變，仍滿足規(guī)范要求。但對于鋼結(jié)構(gòu)來說，由于板厚變化造成剛度變化的同時質(zhì)量也同樣變化，且兩者基本相互抵消，因此采用加大鋼箱梁板厚的方式來增加結(jié)構(gòu)的基頻效果并不明顯，反而會增加造價，得不償失。

圖4 基頻隨板厚變化(梁高0.7 m)

3.2 撓度

在靜力荷載作用下，結(jié)構(gòu)控制截面的撓度值常被用于剖析結(jié)構(gòu)的實際工作狀況并作為加載時的控制指標(biāo)，可對結(jié)構(gòu)的剛度和整體性能進(jìn)行評價。從模型分析中可知，該橋型最大撓度位于梁部跨中附近。板厚16 mm時梁部跨中處撓度變化如圖5所示；梁高0.7 m時梁部跨中處撓度變化如圖6所示。在人群荷載作用下，隨著該橋型結(jié)構(gòu)梁高、板厚的增加，結(jié)構(gòu)撓度呈近似線性減小趨勢，且梁高變化較板厚變化對其影響更大。就分析的這幾種情況而言，結(jié)構(gòu)撓度值依然滿足規(guī)范要求[7]且有一定富余，這表明該橋型的整體性能良好，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，因此選擇合適的梁高和板厚在保證梁拱組合結(jié)構(gòu)的剛度和控制撓度方面顯得尤為重要。

圖5 板厚16 mm時梁部跨中處撓度變化

圖6 梁高0.7 m時梁部跨中處撓度變化

3.3 應(yīng)力

梁、拱組合結(jié)構(gòu)是該新型橋的主要承力構(gòu)件，是該橋的“心臟”，因此有必要對其受力性能進(jìn)行詳細(xì)分析，只有主要結(jié)構(gòu)的承載能力滿足要求，依附其上的其他構(gòu)件才有存在的意義。根據(jù)梁橋和拱橋的受力特點(diǎn)，靜力荷載主要的檢測項目為梁部和拱部的應(yīng)力變化規(guī)律。拱腳處梁高與應(yīng)力曲線(板厚16 mm)如圖7所示；拱腳處板厚與應(yīng)力曲線(梁高0.7 m)如圖8所示。由于梁高和板厚的加大，結(jié)構(gòu)的剛度隨之變大，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值迅速呈反比變化，且梁高變化對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響更為明顯。同時在各靜力荷載工況作用下，該橋型的最大應(yīng)力均發(fā)生在拱腳處且滿足規(guī)范要求，并有較大應(yīng)力儲備。

圖7 拱腳處梁高與應(yīng)力曲線(板厚16 mm)

圖8 拱腳處板厚與應(yīng)力曲線(梁高0.7 m)

通過對各靜力荷載工況的分析，各種作用下的應(yīng)力值(壁厚16 mm)如表1所示，由于該橋型高跨比較小，結(jié)構(gòu)較為纖細(xì)、輕柔，因此人群活載對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大，但拱腳應(yīng)力仍滿足規(guī)范要求且有較大富余。

表1 各種作用下的應(yīng)力值(壁厚16 mm)

3.4 梁端約束的影響

邊界條件的變化對結(jié)構(gòu)的剛度會產(chǎn)生一定影響，該橋型采用梁端與斜撐固結(jié)的形式，當(dāng)考慮釋放梁端連接方式，即改固結(jié)為簡支端設(shè)置支座時，對模型進(jìn)行修改分析。梁端約束與基頻、應(yīng)力、撓度及彎矩的關(guān)系如表2所示，當(dāng)梁端與斜撐端部由固結(jié)改為簡支后，結(jié)構(gòu)整體剛度有所減弱，結(jié)構(gòu)豎向基頻有所減小，各荷載作用下?lián)隙仍龃蠓让黠@，梁端出現(xiàn)少量的軸向位移，同時拱腳彎矩也大幅增加，但斜撐底部所受彎矩大幅減小。綜上，梁端固結(jié)或簡支時，結(jié)構(gòu)受力均滿足規(guī)范要求，梁端固結(jié)對結(jié)構(gòu)基頻、撓度和拱腳受力有所幫助，而梁端簡支對斜撐底受力有利，設(shè)計時可結(jié)合實際需求擇優(yōu)設(shè)置。

表2 梁端約束與基頻、應(yīng)力、撓度及彎矩的關(guān)系

4 結(jié)語

通過對一種新型反對稱梁拱組合人行橋結(jié)構(gòu)的分析研究，對該橋型結(jié)構(gòu)的受力性有了更深入的了解，得到以下結(jié)論。

(1) 該橋型的撓度、基本振型的自振頻率和強(qiáng)度驗算均滿足規(guī)范要求，且主梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力有較大的安全儲備，結(jié)構(gòu)安全可靠。

(2) 梁高變化對結(jié)構(gòu)基頻、撓度和應(yīng)力影響直接且明顯，但過大的梁高會使結(jié)構(gòu)略顯笨重，影響景觀效果。板厚變化對結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力變化也有較大影響，但對結(jié)構(gòu)基頻影響甚微。因此在設(shè)計中應(yīng)結(jié)合計算結(jié)果及景觀要求選取最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

(3) 梁端固結(jié)措施一定程度上可增大結(jié)構(gòu)剛度，提高結(jié)構(gòu)的各項性能指標(biāo)，對增強(qiáng)橋梁景觀效果有一定幫助，下一步可對如何固結(jié)進(jìn)行更細(xì)化的研究。

(4) 該橋型在滿足結(jié)構(gòu)受力的同時，利用受力結(jié)構(gòu)本身凸顯橋梁景觀美學(xué)，減少贅余結(jié)構(gòu)，且線型優(yōu)美、外形簡約，兼具美觀性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，值得推廣[8]。

本次研究主要針對靜力方面，對該橋型其他方面還有待進(jìn)一步研究，特別是動力特性方面研究，復(fù)雜結(jié)構(gòu)人行天橋的動力性能研究對優(yōu)化設(shè)計也起到至關(guān)重要的作用[9]。