某景观人行桥的结构设计及计算分析

陈何峰

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

1 设计概要

随着城市的发展，大跨度的人行桥日益增多。某桥是一座公园的景观步行桥，它连接湖心岛和公园内两侧商业区，是游人往返湖心岛的重要途径，同时也作为重要的景观建筑点缀着整个公园。经过多方案的比选，双塔斜拉桥成为最终方案，其效果图如图1所示。

图1 步行桥效果图

2 结构设计

人行桥桥位于公园中心岛内，桥梁结构采用三跨双索面异形斜拉-刚构体系，跨径组合为72.3 m+32.4 m+72.3 m=177 m。中间墩位于人工岛上，墩和主梁固结。墩处横梁往中跨偏移1.3 m后桥面板中间部分开孔，以供楼梯设置，楼梯宽度3 m。主梁采用变宽结构设计，宽度由边墩处5 m变化中墩处9.8 m。最大纵坡为5.75%，桥面双向横坡为1%。结构横向和纵向均呈波浪形，全桥呈反对称（见图2）。

在结构设计上，为了实现人行桥的主梁板式的整体建筑造型，主梁采用了双排工字钢与混凝土桥面板组合的结构形式，工字钢与混凝土桥面板通过剪力钉形成可靠相连，工字钢高0.8 m，桥面板厚度从0.25 m变化到中间墩处的0.3 m（见图3）。组合结构形式有效地减少主梁高度，不但体现了建筑造型，而且还节省了造价。根据结构计算，在边跨端部20 m及跨中4 m的正弯矩处，桥面板采用普通钢筋混凝土的形式并采用普通的剪力钉。对于桥面板负弯矩处较大的地方，采用预应力混凝土，后结合的剪力钉群。

工字钢上翼缘宽度0.5～0.8 m，从20 mm×500 mm渐变到40 mm×800 mm；下翼缘宽度0.7～1.0 m，从30 mm×800 mm、渐变到70 mm×1000 mm；腹板分两个尺寸，分别是16 mm和25 mm。最大上下翼缘宽度为中墩附近。组合梁桥面板宽度为5.84～10.6 m。

横梁间距分为8 m、8.288 m、9.5 m和3.358 m四种，梁上索间距为8 m和8.288 m。拉索通过锚管固定在横梁处边纵梁上。主梁外包不锈钢装饰板，索梁锚点亦包在其中。

桥塔为钢管结构，直径1.2 m，壁厚40 mm，塔长40.68 m，垂直高度37.675 m，垂直倾角25.64°，塔梁分离，在承台处用螺栓锚固，塔根部外侧包裹混凝土。桥塔内设加劲，外侧焊接耳板，拉索锚固在耳板上。每个桥塔设11对拉索，塔上索间距1.14 m～2.34 m不等。桥塔在工厂制造后运输到现场安装。

斜拉索采用镀锌平行钢丝索，长度从21 m～105 m不等。每根拉索由聚乙烯管外包，拉索与外包管之间填充抗腐蚀化合物，拉索表面需有螺旋线刻纹以避免风雨振。

为解决中间墩的负反力问题，中间墩采用钢结构，墩梁固结，墩高5.263 m，为箱形结构。承台采用12 m×3 m×3 m，基础采用三根直径1.5 m的钻孔灌注桩，桩长42 m，桥墩与基础间横向设置1 m预偏心，以抵抗上部结构传递至基础的横向弯矩；桥塔处采用直径为11.4 m的圆形承台，厚3 m，基础采用采用六根直径1.5 m的钻孔灌注桩。

3 施工方案

根据现场条件及工程特点，具体施工方案阶段如下：

（1）换填基础处浮土，施工桥台、桥墩和临时墩的桩基础；

图2 步行桥整体布置图（单位：m）

图3 步行桥横断面图（单位：m）

（2）工厂加工钢塔、钢墩、钢梁等，搭设施工支架；

（3）运送钢梁节段就位，在支架上焊接拼装钢梁节段；

（4）浇筑混凝土桥面板并张拉预应力；

（5）吊装施工桥塔，并用拉索临时固定；

（6）灌注桥塔底部混凝土；

（7）浇筑剪力钉群砂浆，使桥面板和钢主梁连接形成组合结构；

（8）填充主梁压重，从近塔至远塔逐对张拉斜拉索；

（9）拆除剩余临时墩；施工桥面系及附属设施。

4 结构计算

4.1 主要技术参数

4.1.1 设计标准

（1）专用景观人行桥，设计荷载：人群荷载按《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69-95）取用，为 3.6 kN/m2；

（2）人行宽度：净宽5 m～9.76 m；

（3）防洪标准：百年一遇频率水位：2.7 m；常水位1.8 m；

（4）通航标准：桥下净空要求2.5 m；

（5）抗震设防烈度为6度，基本加速度为0.05 g，Ⅲ类建设场地，特征周期0.4 s，地基土无液化。

4.1.2 设计荷载

栏杆：每侧0.5 kN/m；

压重铁矿砂：35 kN/m；

整体升、降温：28℃、-27℃；

索和塔正、负温差：15℃、-15℃；

梁梯度升温：以混凝土面板整体升温15℃模拟；

梁梯度降温：以混凝土面板整体降温15℃模拟；支座不均匀沉降：10 mm；

人行道板（局部构件）的人群荷载按5 kPa的均布荷载或1.5 kN的集中力设计；

风荷载：百年一遇基本风速按28.6 m/s取值，风荷载考虑横向、纵向和上升风作用，其中：桥塔纵向风荷载标准值按照横向风压乘以迎风面积计算，主梁纵向风荷载标准值按0.5倍的横向风压乘迎风面积计算，在拉索上的风荷载作用力以节点荷载的形式表述。

4.2 整体静力计算

4.2.1 计算模型

计算采用软件midas7.9.5，梁单元模拟工字钢主梁、混凝土桥面板及桥塔，桁架单元模拟拉索，混凝土板与钢主梁采用刚臂连接，忽略剪力钉的刚度影响（见图4与表1）。计算模拟了少支墩施工工序，支架跨径为（16+2×20+4×16+2×20+16）m，采用只受压弹性支撑模拟临时支架。

4.2.2 计算结果

经计算分析，梁塔关键截面在成桥初期及运营阶段应力状态如表2所列。

图4 计算模型

表1 斜拉索初张力一览表

表2 各阶段各部位应力值一览表（单位：MPa）

各种工况下，钢结构正应力都未超过规范允许值，满足规范要求。

桥面板负弯矩处的桥面板预加应力，支点处张拉3Φs15.24的预应力索间距320 mm，采用预应力B类构件计算，裂缝宽度为0.08 mm，小于规范允许值。

4.3 主塔稳定计算

桥塔为双向压弯构件，长细比大，受力复杂，需要进行稳定验算。一阶失稳为面外失稳，恒载下轴力为6387 kN，临界荷载系数为12.26，计算得到面外有效计算长度Lcy=25.2 m，面内失稳为四阶，恒载下轴力为6387 kN，临界荷载系数为18.67，计算得到面内有效计算长度Lcy=20.5 m。经过计算压杆稳定面外和面内稳定系数分别为0.95和0.92，均满足设计要求。

5 基于行人舒适性振动分析

5.1 动力特性分析

通过对该桥的动力特性进行分析，该桥的基频为0.569 Hz，对应振型为主梁竖向一阶弯曲。借鉴国外的规范，通过人行荷载所引起的桥梁振动加速度来验算该桥的动力特性（见图5）。

图5 第一阶振型图（0.569 Hz，主梁竖向一阶反对称弯曲）

5.2 人行激励分析理论

人行激励振动的特性取决于人行荷载的特殊性。人的行走由连续的步子形成，具有周期性。这种周期性激励在竖向和侧向都可以用傅立叶级数的形式表示，级数中高阶频率是基频的整数倍，但基频的大小在竖向和侧向不同。单人在桥上行走时，基于步行力的周期性，竖向力和侧向力都可以用傅立叶级数的形式表示。

激励频率分别取值为可能引起主梁竖向和侧向某阶振动共振的频率，相应的计算结果如表3和表4所列。

表3 侧向荷载作用下人行桥的动力响应一览表

表4 竖向荷载作用下人行桥的动力响应一览表

采用人群舒适度指标，来验算动力特性。舒适度指标是未引起行人感觉不适的加速度允许值。竖向加速度的允许值可表示如下0.377（m/s2）。侧向加速度的允许值也相对更为严格，允许值表示如下

计算的结果表明，在设计的人群荷载作用下，行人的步行完全随机，没有受外界影响发生同步效应，该人行桥的人致振动满足舒适性要求。同时考虑人群同步调概率与振幅关系，同样发现在以上三种侧向激励荷载作用下，同步调概率衰减很快到1%以下，小于完全随机状态下的同步调人数百分比。这说明该桥不会发生人群同步调步行。因此，即使考虑人群同步效应，该桥在竖向和横向的加速度峰值也均满足舒适性要求。

6 结语

本文介绍了一座主跨72 m人行斜拉桥的结构设计及静力动力计算。在设计中合理选择截面形式，通过对桥梁结构的静力分析、塔的稳定分析表明结构在各个施工阶段和运营阶段下，该桥各个部位的应力满足要求相应的规范要求。同时考虑在结构频率较低的情况，采用人致振动舒适性分析，表明该桥能较好地回避竖向和横梁的共振问题，可为类似大跨度的人行桥提供一定的借鉴及参考。

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