大跨度PC門式剛構人行橋設計關鍵技術研究

仝 波, 宋廣林

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200040)

0 引言

人行橋大都修建于人口稠密的城市路口，隨著鄉村振興戰略的推進，部分鄉鎮因地制宜，于跨越航道處也提出了建設人行橋的需求。對于大跨度門式剛構人行橋，相關研究案例較少，范佐銀等[1]介紹了6 m+40 m+6 m的帶斜撐門式剛構橋設計；王佳[2]介紹了單跨20 m的普通鋼筋混凝土門式剛構；李健等[3]分析了帶斜撐的斜腿剛構在跨線橋中的應用；郭瑞軍[4]分析了斜腿剛構的非線性穩定性問題。上述文獻均是基于公路橋，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橋，其人行工況下的舒適度研究[5]、墩梁結合部位的應力分析、大偏心受壓的豎撐裂縫計算以及短周期下的抗震分析等，相關文獻很少，本次研究成果可對相關工程提供借鑒。

1 工程概況

工點位于江蘇某鎮規劃整治河道之上，兩岸設護岸樁，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 °；設計人行荷載3.85 kPa；設計洪水為100 a一遇；設計使用年限為100 a。

2 地質概況

本地域屬于長三角沖積平原地質，地面絕對標高在3.0 m左右，覆蓋層大于80 m，為第四系全新統沉積物，土質軟。第1層為素填土，層厚約1.0 m；第2層為淤泥質粉質黏土，層厚為3 m；第3層為砂質粉土，層厚約10 m；第4層為淤泥質粉質黏土，層厚約1.5 m；第5層為砂質粉土，層厚約14 m；第6層為粉質黏土，層厚約8 m。

3 方案比選

考慮人行橋舒適度、美觀性以及經濟性，比選了簡支鋼桁梁、簡支系桿拱橋、簡支現澆箱梁和變截面門式剛構橋方案，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豎向振型出現階數/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簡支現澆箱梁504.52.51.9610.98門式剛構橋504.52.8～1.82.9730.23

從方案比選看到，簡支大跨結構(鋼桁梁和系桿拱橋)均可滿足規范[6]豎向自振頻率大于3 Hz的要求，且舒適度分析為“最好”。簡支現澆箱梁自振頻率1.96 Hz，恰好在人行頻率范圍之內[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濟和美觀的。門式剛構橋雖然豎向頻率為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[9]分析結論相當。

簡支鋼桁梁和系桿拱，因為橋面較窄，橋上結構占比較大，給行人一種不夠通透，行走壓抑的感覺，同時不夠經濟；而門式剛構橋，橋上視野開闊，河岸兩側風景可一覽無余，且舒適度分析結論為“最好”，符合人行橋設計初衷和景觀友好要求，因此本次推薦采用了門式剛構橋。橋型總布置如圖1～2所示，設計橋梁總長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 主橋側視(單位：cm)

4 關鍵技術研究

4.1 美學設計

橋梁的美學不僅在于外在的裝飾，還在于與內在受力的協調美，好的景觀橋必定是力學和美學的完美統一[10]。本橋為配合美學設計，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在受力特點；同時采用白色外涂裝，全橋形態和諧、結構精煉、線條簡潔、色彩明快、質感自然，與周邊農村建筑景觀協調輝映。

4.2 基礎剛度

對于常規的簡支梁和連續梁，下部結構剛度對自振頻率影響很??；然而對于剛構橋，其動力特性與下部結構剛度息息相關[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，并且下部結構內力也與剛度有關。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這4種形式對門式剛構橋豎向自振頻率與橋墩內力等指標的影響，如表2所列。

表2 不同樁基布置對應下部結構內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3.5819 4719 670---

由表2可以看到，門式剛構采用承臺底固結計算，自振頻率較大，相對舒適度分析偏不安全，相對內力分析偏保守。軟土地區摩擦樁中，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計的關鍵，應力相對復雜，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，梁過渡段的主拉應力云圖如圖5所示，過渡段的主拉應力跡線如圖6所示，可將墩梁過渡段的主拉應力歸納為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σt4。頂板施加了預應力，圖中σt1最小，σt4最大，力流呈現從頂板基本垂直過渡到橋墩外側的特點，墩梁過渡段4個部分主拉應力大小如表3所列。

圖3 主梁鋼束布置(單位：cm)

圖5 墩梁過渡段主拉應力云圖(單位：Pa)

圖6 墩梁過渡段主拉應力跡線

表3 墩梁過渡段主拉應力主拉應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905.8

4.4 橋墩設計

門式剛構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橋墩，因為沒有邊跨平衡恒載彎矩，橋墩呈現大偏心受壓構件特點，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，在常規橋墩結構設計中甚為少見。

對于大偏心受壓橋墩，對比了外側布置普通鋼筋和布置預應力鋼束2種方案。第1種方案為外側布置兩排雙肢鋼筋，根據平截面假定，外側鋼筋應力大，內層鋼筋應力小，為控制裂縫需控制外側鋼筋應力。第2種方案為外側布置預應力鋼束，如圖7～8所示，預應力橋墩按B類構件設計，類似于彎壓組合梁的受拉區布置鋼束，其布置特點類似常規箱梁腹板豎向鋼筋，對整個橋梁不產生次內力，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，采用對橋墩施加預應力的三維實體模型分析，如圖9所示，橋墩受拉側拉應力大大減小。2種方案的綜合對比如表4所列，可以看到，本橋墩外側采用預應力鋼束，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 施加預應力主墩截面正應力云圖(單位：Pa)

表4 橋墩設計方案對比布置方案鋼筋應力/MPa裂縫寬度/mm受拉區含筋率/%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+預應力鋼束83.40.1452.473.35

4.5 抗震特性

本橋地處6度區，因為舒適度的考慮，橋梁自振周期較小，自振周期處于反應譜的最高點，地震效應如表5所列，在E2地震下，橋墩各部分均未進入塑性，滿足要求。門式剛構橋墩頂、墩底存在4個塑性鉸區域，因為橋墩布置了預應力鋼束，塑性鉸形成困難，采用能力保護構件設防較為復雜，8度及以上區域需要專題研究。

表5 E2地震效應結果(kN·m)地震效應墩頂墩底樁頂MyMzMyMzMyMzE2順3 583.503 3680940E2橫01 80008 219181110

5 結論

通過對跨越航道的大跨度門式剛構人行橋設計研究，主要結論如下：

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

2)主梁采用A類預應力構件設計的門式剛構橋，墩梁過渡段主拉應力約呈90°過渡，且在墩頂外側位置最大。

3)大偏心受壓橋墩，橋墩外側布置預應力，相對普通鋼筋布置方案，裂縫寬度減小了20%，投資節省了34%。

4)門式剛構橋橋墩布置了預應力，塑性鉸開展復雜，高烈度區域需專題研究。