濟南市歷陽湖人行鋼桁拱橋設計與施工

付祖良，張強強

（山東省城建設計院，山東 濟南 250101）

0 引 言

為加快濟南市生態(tài)文明建設，完善旅游要素配套和公共服務設施，濟南市先后在廣場東溝河谷內(nèi)建設了多處谷坊，形成了歷陽湖內(nèi)的景觀水面。為擴大市民休閑步行空間，在湖岸新建了景觀游步路。修建歷陽湖人行鋼桁拱橋，旨在連接兩岸游步道，方便湖區(qū)休閑游憩，為市民提供一個良好的游覽健身休閑的場所，提升歷陽湖周邊片區(qū)的城市環(huán)境。

1 工程概況

歷陽湖人行鋼桁拱橋位于濟南市市中區(qū)旅游路與歷陽大街交叉口北側，橋梁跨越廣場東溝，南向連接歷陽大街，北向連接金雞嶺山體游步道。橋梁全長55.28 m，橋面全寬4.5 m。上部結構為上承式鋼桁拱橋。下部結構南側采用承臺群樁基礎，北側橋墩采用擴大基礎。

2 結構設計

2.1 上部結構

橋梁全長55.28 m，橋梁全寬4.5 m，凈寬4.1 m，主跨為上承式雙主桁鋼桁拱，鋼桁拱下弦拱計算跨徑為35 m，計算矢高5 m，計算矢跨比為1/7，拱圈為高60 cm、寬50 cm焊接箱型桿件，拱軸線為二次拋物線。橋梁橋面縱向為雙向1.5%的縱坡接半徑R=500 m的凸豎曲線。為增加橋梁外立面的輪廓層次感，主桁拱外側均設置0.5 m的懸臂。橋面系在每個節(jié)點及兩節(jié)點中間位置均設置橫梁，梁高0.4 m，間距為1.5～2.25 m。橋面縱肋采用鋼板加勁肋，間距為50 cm。橋梁總體布置見圖1。

圖1 橋梁立面圖（高程單位：m；尺寸單位：cm）

鋼桁拱共設置3處橫向聯(lián)結系，分別位于拱腳及跨中位置，分別見圖2和圖3。

圖2 鋼桁拱拱腳橫斷面（單位：cm）

圖3 鋼桁拱跨中橫斷面（單位：cm）

橋面鋪裝采用鋼龍骨固定室外用環(huán)保復合木塑地板，欄桿采用采用SUS304不銹鋼桿件+鋼化夾膠玻璃的形式。橋梁設置了節(jié)能型LED燈夜景照明。

2.2 下部結構

下部結構因地制宜，南岸采用承臺群樁基礎，在歷陽大街現(xiàn)狀擋土墻頂設置帽梁支承鋼梁；北岸橋臺山體巖石裸露采用擴大基礎，為避免橋臺基礎施工破壞裸露巖體，保護自然環(huán)境，設置斜撐挑臺與山體游步道銜接，見圖4和圖5。

圖4 邊跨斜撐桿（單位：cm）

圖5 邊跨斜撐桿照片

3 計算分析

橋梁結構采用Midas Civil 2020有限元軟件進行建模計算，弦桿、腹桿及縱橫梁均采用梁單元模擬，橋面板采用平面應力板單元模擬，對橋梁結構進行縱、橫向計算分析、驗算。建立模型見圖6。

圖6 計算模型

3.1 計算荷載

（1）結構自重：鋼材容重采用78.5 kN/m3，鋼筋混凝土容重采用26 kN/m3。

（2）二期恒載：包括橋面鋪裝、人行護欄和管線等。橋面鋪裝按2.0 kN/m2考慮；人行護欄按每側2 kN/m考慮。

（3）基礎變位作用：橋臺基礎豎向最大不均勻沉降差10 mm。

（4）設計人群荷載：取4.5 kPa；橋面板局部構件按標準值5.0 kPa的均布荷載或者1.5 kN的集中力進行計算。

（5）風荷載：按濟南風壓100 a一遇考慮，風壓為0.5 kN/m2。

（6）溫度作用：整體升降溫：體系升溫按+25℃考慮，體系降溫按-25℃考慮。溫度梯度：取T1=20℃，T2=6.7℃。

（7）地震作用：按《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB 18306—2015，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，橋梁抗震設防分類為丁類。根據(jù)《山東省建設工程抗震設防條例》規(guī)定，場地抗震設防烈度提高一度，抗震設防烈度按7度考慮，設計基本地震動峰值加速度值為0.10g，橋梁抗震設計方法選用B類，應進行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗算，并應滿足相關構造和抗震措施的要求。

3.2 計算分析

3.2.1 桿件內(nèi)力與應力計算

桿件內(nèi)力計算主要考慮桿件在各荷載最不利組合下的最大、最小軸力與彎矩。經(jīng)計算分析，結構桿件最大軸向力為1 529.5 kN，位于拱圈跨中位置下弦桿。結構桿件最大彎矩為546.1 kN/m，位于拱圈跨腳位置。結構桿件最大應力為98.9 N/mm2，位于拱圈跨腳位置，見圖7。

圖7 梁單元應力圖（單位：MP a）

3.2.2 桿件穩(wěn)定性分析

在假定鋼桁節(jié)點剛結的條件下，對全橋進行構件整體穩(wěn)定分析，主桁弦桿平面內(nèi)和平面外的計算長度均取l0；腹桿平面內(nèi)的計算長度取0.8 l0，平面外的計算長度取l0。

主桁焊接箱形弦桿屈曲曲線類型均為b類，焊接I形腹桿屈曲曲線類型y軸屈曲方向為b類，z軸屈曲方向為c類[1]。腹桿軸心受壓構件整體穩(wěn)定折減系數(shù)χ最小值為0.76；弦桿軸心受壓構件整體穩(wěn)定折減系數(shù)χ最小值為0.95。經(jīng)檢算，全部構件的強度及整體穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

3.2.3 豎向自振頻率計算

根據(jù)計算，鋼桁拱豎向自振模態(tài)見圖8，豎向自振頻率為10.75 Hz，滿足《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》2.5.4條要求的上部結構豎向自振頻率不小于3 Hz的要求[2]。根據(jù)計算結果可知，橋梁上部結構豎向剛度較大。

圖8 結構豎向自振模態(tài)

3.2.4 位移計算

根據(jù)結構計算，跨中最大向上豎向變形度為19 mm，跨中最大向下豎向撓度為5.4 mm，均小于跨度的1/1 600，橋梁不設置預拱度。

3.2.5 整體穩(wěn)定性分析

采用MIDAS Civil進行結構的靜力穩(wěn)定性計算，其中恒載包括結構自重和二期恒載，營運荷載中，人群荷載按4.5 kN/m2取值。在假定鋼桁節(jié)點剛結的條件下，對全橋進行靜力穩(wěn)定分析，所得一階屈曲安全系數(shù)為221，其失穩(wěn)形式為端腹桿面外失穩(wěn)，見圖9，計算結果滿足拱橋的整體彈性穩(wěn)定系數(shù)K大于4.0的要求[3]。

圖9 一階屈曲模態(tài)

4 橋梁施工

橋位處南岸旅游路現(xiàn)狀邊坡為上下兩級衡重式毛石擋土墻，現(xiàn)狀旅游路人行道至河底高差約15.26 m；北岸為外露巖石山體邊坡，河道下游7m位置設有5.8 m落差的谷坊。橋位無施工作業(yè)空間，兩側基礎落地場地條件復雜?；A施工對現(xiàn)狀擋土墻穩(wěn)定具有一定的影響。橋梁設計需綜合考慮高擋土墻邊坡、施工需求、場地條件與環(huán)境保護、交通影響等。

橋梁南側采用承臺群樁基礎，在上下兩級擋土墻中間人工挖孔成孔，工程施工對現(xiàn)狀擋土墻整體穩(wěn)定性影響小，避免了對現(xiàn)狀邊坡的大挖大填的破壞性施工。樁基礎將重力傳至擋土墻下巖層。

下部結構施工完成后，吊裝上部結構。橋梁主拱圈下弦構件工廠制作焊接后，運輸至旅游路側平放置，采用三臺大型起重機協(xié)同作業(yè)，整體吊裝主跨鋼桁拱下弦，主拱圈下弦先吊起一定高度后空中翻轉、后旋轉平移、整體吊裝鋼拱圈就位，實現(xiàn)了拱圈無支架無拼裝焊接作業(yè)，見圖10。

圖10 現(xiàn)場吊裝照片

上部結構采用上承式鋼桁架拱，桁架拱結構自重相對較輕，剛度大且跨越能力大，便于整體吊裝安裝，通過調(diào)整矢跨比與拱軸線，合理設置橋面高程，橋外立面設置小懸臂挑檐，結構層次錯落有致，整體外形簡潔優(yōu)美，如垂虹臥波；拱上鋼結構均采用工廠制造，大型起重機吊裝拼裝焊接。

5 結語

（1）歷陽湖人行景觀橋選址科學合理，橋位地質(zhì)條件好、視覺角度好、河道水面寬度相對較小，從旅游路東西向或歷陽大街南北向遠觀，視覺效果均較好。橋梁設計方案通過精心比選與調(diào)整優(yōu)化，減少了工程量，節(jié)省了工程投資，實現(xiàn)了橋梁與場地環(huán)境的有機結合。

對于地面與水面高差大、地質(zhì)條件好的位置，選用鋼桁拱橋方案是適宜的；合理開發(fā)利用環(huán)境，新建工程盡量減少對原有地形地貌的破壞，橋梁建筑與周圍自然環(huán)境和諧統(tǒng)一。歷陽湖橋梁整體造型優(yōu)美，在施工期間就廣受關注，竣工投入使用后，得到了市民、建設單位與新聞媒體的肯定與贊揚，項目產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益?？⒐ず髮嵕耙妶D11。

圖11 竣工后實景

（2）橋梁結構選擇鋼桁橋方案，鋼桁拱橋結構自重相對較輕，剛度大，整體外形美觀。鋼結構現(xiàn)場施工工期短，對周邊交通影響時間短。橋梁上部鋼結構采用整體吊裝安裝方案，不但施工不影響河道泄洪，而且解決了橋位處場地條件受限，無作業(yè)空間的難題，實現(xiàn)了設計與施工的良好結合。

（3）橋梁北側設置鉸軸斜撐懸臂梁，避免了因設置橋臺而開挖山體大塊巖石，保護了自然景觀，降低了施工難度，節(jié)約了工程成本。鉸軸連接的軸向受力斜桿支承，是特定條件下適宜的方案。橋梁拱腳的水平推力有利于現(xiàn)狀擋土墻及邊坡的穩(wěn)定。

（4）橋梁采用先整體吊裝鋼拱圈，后現(xiàn)澆拱腳混凝土固定拱腳的施工工法，避免了先固定拱腳鋼拱圈后拼裝對接困難的問題。

（5）鋼拱腳埋入混凝土部分焊接ML15材質(zhì)的M22×200圓柱頭焊釘，并設置多層鋼筋網(wǎng)局部加強，保障了拱腳局部應力較大情況的受力安全與良好固接。