大跨度PC門式剛構(gòu)人行橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

仝 波, 宋廣林

(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200040)

0 引言

人行橋大都修建于人口稠密的城市路口，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進(jìn)，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)因地制宜，于跨越航道處也提出了建設(shè)人行橋的需求。對于大跨度門式剛構(gòu)人行橋，相關(guān)研究案例較少，范佐銀等[1]介紹了6 m+40 m+6 m的帶斜撐門式剛構(gòu)橋設(shè)計；王佳[2]介紹了單跨20 m的普通鋼筋混凝土門式剛構(gòu)；李健等[3]分析了帶斜撐的斜腿剛構(gòu)在跨線橋中的應(yīng)用；郭瑞軍[4]分析了斜腿剛構(gòu)的非線性穩(wěn)定性問題。上述文獻(xiàn)均是基于公路橋，而針對橋面較窄、跨度較大、只有豎撐沒有斜撐的大跨度人行門式剛構(gòu)橋，其人行工況下的舒適度研究[5]、墩梁結(jié)合部位的應(yīng)力分析、大偏心受壓的豎撐裂縫計算以及短周期下的抗震分析等，相關(guān)文獻(xiàn)很少，本次研究成果可對相關(guān)工程提供借鑒。

1 工程概況

工點位于江蘇某鎮(zhèn)規(guī)劃整治河道之上，兩岸設(shè)護(hù)岸樁，河岸寬度47 m，平均水深約3 m，Ⅴ級航道，通航凈空要求45 m×5 m(寬×高)，為方便兩邊居民出行，需修建一座凈寬3.5 m的人行橋，要求其能滿足景觀要求。橋位中線與河道中線法線夾角為5 °；設(shè)計人行荷載3.85 kPa；設(shè)計洪水為100 a一遇；設(shè)計使用年限為100 a。

2 地質(zhì)概況

本地域?qū)儆陂L三角沖積平原地質(zhì)，地面絕對標(biāo)高在3.0 m左右，覆蓋層大于80 m，為第四系全新統(tǒng)沉積物，土質(zhì)軟。第1層為素填土，層厚約1.0 m；第2層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層厚為3 m；第3層為砂質(zhì)粉土，層厚約10 m；第4層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層厚約1.5 m；第5層為砂質(zhì)粉土，層厚約14 m；第6層為粉質(zhì)黏土，層厚約8 m。

3 方案比選

考慮人行橋舒適度、美觀性以及經(jīng)濟(jì)性，比選了簡支鋼桁梁、簡支系桿拱橋、簡支現(xiàn)澆箱梁和變截面門式剛構(gòu)橋方案，比選方案主要控制因素如表1所列。

表1 跨航道人行橋方案比選橋型跨度/m橋總寬/m梁(矢)高/m豎向自振頻率/Hz豎向振型出現(xiàn)階數(shù)/階橋面豎向加速度/(m·s-2)簡支鋼桁梁525.673.3230.28簡支系桿拱橋525.893.6550.19簡支現(xiàn)澆箱梁504.52.51.9610.98門式剛構(gòu)橋504.52.8～1.82.9730.23

從方案比選看到，簡支大跨結(jié)構(gòu)(鋼桁梁和系桿拱橋)均可滿足規(guī)范[6]豎向自振頻率大于3 Hz的要求，且舒適度分析為“最好”。簡支現(xiàn)澆箱梁自振頻率1.96 Hz，恰好在人行頻率范圍之內(nèi)[7]，舒適度分析為“中等[8]”，用增加梁高來提高舒適度是不夠經(jīng)濟(jì)和美觀的。門式剛構(gòu)橋雖然豎向頻率為2.97 Hz，但是避開了人行頻率范圍，且橋面舒適度分析為“最好”，與文獻(xiàn)[9]分析結(jié)論相當(dāng)。

簡支鋼桁梁和系桿拱，因為橋面較窄，橋上結(jié)構(gòu)占比較大，給行人一種不夠通透，行走壓抑的感覺，同時不夠經(jīng)濟(jì)；而門式剛構(gòu)橋，橋上視野開闊，河岸兩側(cè)風(fēng)景可一覽無余，且舒適度分析結(jié)論為“最好”，符合人行橋設(shè)計初衷和景觀友好要求，因此本次推薦采用了門式剛構(gòu)橋。橋型總布置如圖1～2所示，設(shè)計橋梁總長56.2 m，計算跨度49.0 m，支點梁高2.8 m，跨中梁高1.8 m，梁底按二次拋物線變化。

圖1 主橋總布置(單位：cm)

圖2 主橋側(cè)視(單位：cm)

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 美學(xué)設(shè)計

橋梁的美學(xué)不僅在于外在的裝飾，還在于與內(nèi)在受力的協(xié)調(diào)美，好的景觀橋必定是力學(xué)和美學(xué)的完美統(tǒng)一[10]。本橋為配合美學(xué)設(shè)計，橋墩寬度和跨中梁高保持一致，均采用1.8 m，支點高度采用2.8 m，跨中高度比例為1.56，接近黃金分割比，使得整個橋突出了內(nèi)在受力特點；同時采用白色外涂裝，全橋形態(tài)和諧、結(jié)構(gòu)精煉、線條簡潔、色彩明快、質(zhì)感自然，與周邊農(nóng)村建筑景觀協(xié)調(diào)輝映。

4.2 基礎(chǔ)剛度

對于常規(guī)的簡支梁和連續(xù)梁，下部結(jié)構(gòu)剛度對自振頻率影響很小；然而對于剛構(gòu)橋，其動力特性與下部結(jié)構(gòu)剛度息息相關(guān)[11]，不同的樁基布置下，人行橋會有不同的自振頻率和舒適度，并且下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力也與剛度有關(guān)。本次采用m法，對比了6-φ1.2 m、4-φ1.5 m、3-φ1.8 m樁基布置以及承臺底固結(jié)這4種形式對門式剛構(gòu)橋豎向自振頻率與橋墩內(nèi)力等指標(biāo)的影響，如表2所列。

表2 不同樁基布置對應(yīng)下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比樁基布置自振頻率/Hz墩頂彎矩/(kN·m)墩底彎矩/(kN·m)最大樁頂彎矩/(kN·m)最大樁頂軸力/kN造價/萬元6-?1.2 m2.9619 6457 9193682 01046.74-?1.5 m2.9819 6297 6087022 46348.93-?1.8 m2.8719 5157 5781 3402 74052.5固結(jié)3.5819 4719 670---

由表2可以看到，門式剛構(gòu)采用承臺底固結(jié)計算，自振頻率較大，相對舒適度分析偏不安全，相對內(nèi)力分析偏保守。軟土地區(qū)摩擦樁中，小直徑群樁相對大直徑排樁有著更好的性價比，本次推薦采用6-φ1.2 m鉆孔樁布置。

4.3 墩梁過渡段

門式橋墩的墩梁過渡段是設(shè)計的關(guān)鍵，應(yīng)力相對復(fù)雜，主梁鋼束布置如圖3所示，采用ANSYS軟件的187#高階四面體單元，建立三維模型如圖4所示，于墩梁過渡段加密單元，在恒載及人群滿布工況下，梁過渡段的主拉應(yīng)力云圖如圖5所示，過渡段的主拉應(yīng)力跡線如圖6所示，可將墩梁過渡段的主拉應(yīng)力歸納為4個部分，即頂板σt1、橫梁中線上部σt2、橫梁中線下部σt3、橋墩立柱外側(cè)σt4。頂板施加了預(yù)應(yīng)力，圖中σt1最小，σt4最大，力流呈現(xiàn)從頂板基本垂直過渡到橋墩外側(cè)的特點，墩梁過渡段4個部分主拉應(yīng)力大小如表3所列。

圖3 主梁鋼束布置(單位：cm)

圖5 墩梁過渡段主拉應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖6 墩梁過渡段主拉應(yīng)力跡線

表3 墩梁過渡段主拉應(yīng)力主拉應(yīng)力位置與水平面夾角/(°)大小/MPaσt1頂板上緣00σt2橫梁上部800.67σt3橫梁下部871.54σt4橋墩外側(cè)905.8

4.4 橋墩設(shè)計

門式剛構(gòu)橋是一種介于拱橋和梁橋之間的橋型，橋墩不同于普通剛構(gòu)橋墩，因為沒有邊跨平衡恒載彎矩，橋墩呈現(xiàn)大偏心受壓構(gòu)件特點，且會有較大的水平推力，本次橋墩尺寸為3.5 m(橫)×1.8 m(縱)，橋墩順橋向恒載偏心距約5.3 m，剪力和軸力比值最大約0.55，在常規(guī)橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計中甚為少見。

對于大偏心受壓橋墩，對比了外側(cè)布置普通鋼筋和布置預(yù)應(yīng)力鋼束2種方案。第1種方案為外側(cè)布置兩排雙肢鋼筋，根據(jù)平截面假定，外側(cè)鋼筋應(yīng)力大，內(nèi)層鋼筋應(yīng)力小，為控制裂縫需控制外側(cè)鋼筋應(yīng)力。第2種方案為外側(cè)布置預(yù)應(yīng)力鋼束，如圖7～8所示，預(yù)應(yīng)力橋墩按B類構(gòu)件設(shè)計，類似于彎壓組合梁的受拉區(qū)布置鋼束，其布置特點類似常規(guī)箱梁腹板豎向鋼筋，對整個橋梁不產(chǎn)生次內(nèi)力，錨固點分別布置于承臺頂面下0.8 m和橋面下0.15 m，承臺處采用P錨，橋面為張拉端，采用對橋墩施加預(yù)應(yīng)力的三維實體模型分析，如圖9所示，橋墩受拉側(cè)拉應(yīng)力大大減小。2種方案的綜合對比如表4所列，可以看到，本橋墩外側(cè)采用預(yù)應(yīng)力鋼束，減小了偏心距，相對普通鋼筋布置方案，裂縫減小了20%，投資節(jié)省了34%。

圖7 橋墩鋼束布置斷面

圖8 橋墩鋼束布置立面

圖9 施加預(yù)應(yīng)力主墩截面正應(yīng)力云圖(單位：Pa)

表4 橋墩設(shè)計方案對比布置方案鋼筋應(yīng)力/MPa裂縫寬度/mm受拉區(qū)含筋率/%造價/萬元兩排雙肢普通鋼筋108.70.1753.365.09單排雙肢普通鋼筋+預(yù)應(yīng)力鋼束83.40.1452.473.35

4.5 抗震特性

本橋地處6度區(qū)，因為舒適度的考慮，橋梁自振周期較小，自振周期處于反應(yīng)譜的最高點，地震效應(yīng)如表5所列，在E2地震下，橋墩各部分均未進(jìn)入塑性，滿足要求。門式剛構(gòu)橋墩頂、墩底存在4個塑性鉸區(qū)域，因為橋墩布置了預(yù)應(yīng)力鋼束，塑性鉸形成困難，采用能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)防較為復(fù)雜，8度及以上區(qū)域需要專題研究。

表5 E2地震效應(yīng)結(jié)果(kN·m)地震效應(yīng)墩頂墩底樁頂MyMzMyMzMyMzE2順3 583.503 3680940E2橫01 80008 219181110

5 結(jié)論

通過對跨越航道的大跨度門式剛構(gòu)人行橋設(shè)計研究，主要結(jié)論如下：

1)對于跨越航道的大跨度結(jié)構(gòu)人行橋，簡支結(jié)構(gòu)無法滿足人行舒適度的要求，采用門式剛構(gòu)橋是適宜的方案，自振頻率以及舒適度分析需要考慮下部結(jié)構(gòu)剛度影響。

2)主梁采用A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計的門式剛構(gòu)橋，墩梁過渡段主拉應(yīng)力約呈90°過渡，且在墩頂外側(cè)位置最大。

3)大偏心受壓橋墩，橋墩外側(cè)布置預(yù)應(yīng)力，相對普通鋼筋布置方案，裂縫寬度減小了20%，投資節(jié)省了34%。

4)門式剛構(gòu)橋橋墩布置了預(yù)應(yīng)力，塑性鉸開展復(fù)雜，高烈度區(qū)域需專題研究。