郑州十七里河公园景观桥结构设计研究

常建宝 胡小波

(1.中联环股份有限公司 福建厦门 361004； 2.上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司 安徽合肥 230031)

郑州十七里河公园景观桥结构设计研究

常建宝1胡小波2

(1.中联环股份有限公司 福建厦门 361004； 2.上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司 安徽合肥 230031)

郑州十七里河公园景观桥属于人行景观桥。尺寸和荷载等级不同于传统车行拱桥，文章分析了传统拱桥、钢桁架拱桥的优缺点之后，结合景观桥的自身特点，去除了传统拱桥的主要受力构件-拱圈，使得变截面大梁成为主要受力构件，形成了无拱圈的轻型桥体结构。对变截面大梁采用两种边界假定进行平面应力分析，发现变截面大梁对纵向位移极为敏感。为此通过建立桥-桩整体模型，根据位移和桩数的相互依存关系，采用通过工程经验预估桩数，反复调整桩数使得大梁配筋在一个合理范围内的设计方法。

景观桥;拱圈;变截面梁;平面应力单元;有限元

0 引言

郑州十七里河公园位于龙湖镇区的东北部，向南紧邻绕城高速，东临新郑快速路。该桥是连接十七里河南岸和北岸的唯一通道，造型偏法式，外观属于单孔拱桥，桥面设置欧式景观灯柱，外贴石材，以打造出复古的效果。

1 方案比选

该桥属于人行景观桥，桥面荷载按照人行天桥技术规范[1]第3.1.3条规定取值5kPa，桥净跨27.4m，圆弧拱矢高3.827m，桥面宽5m，桥面不允许车辆行驶，从桥的体量、跨度、荷载等级来看，不同于常见的行车拱桥[2-4]。拱桥设计的重点主要在于拱相关部位的设计，因此，设计之初考虑了3种方案，方案示意图分别如图1～图3所示。

图1 方案一示意图

图2 方案二示意图

图3 方案三示意图

方案一是传统的拱桥构造，由拱圈和上部结构组成，拱圈是主要承力构件；方案二去除拱圈，设置两片变截面大梁承担桥面荷载，变截面大梁为主要承力构件；方案三是钢桁架拱桥，桁架拱为主要承力构件。拱桥的设计重点在于如何合理解决拱脚的抗推问题，方案一相比方案二，上部结构抗扭刚度较大，整体性好，但是自重大，必定引起较大的拱脚推力，同时造价比方案二高。自重最轻应是方案三的钢桁架拱方案，虽已建成钢桁架拱桥数量很多，但防腐一直是钢结构的弊端，该桥属于室外钢结构，并且是贴近水面的潮湿环境，防腐问题就更为突出。虽方案二整体抗扭刚度较弱，但是相较于一般的人行景观桥来说，荷载较车行拱桥小很多，抗扭问题并不突出。同时上部结构简洁，相对于传统拱桥结构形式，自重减小幅度大，可以有效减轻两侧拱脚部位的推力，综合比较，最终选择方案二。方案一和方案三有很多已建成的案例可查询，但是方案二却没有已建成案例可参考。很显然，方案二的关键点在于如何合理地判定变截面大梁的力学特征。

2 整体结构受力模型分析

2.1 结构概述

桥体结构主要由桥面板、桥面梁、变截面大梁、两侧槽型桥台、两侧框架、两侧端部挡墙、厚筏板和灌注桩组成，如图4所示。

图4 桥结构轴测图

图5 结构平面图

图6 结构立面图

其中桥净跨27.4m，桥面宽5m。桥台为槽型，翼缘宽度为3m，厚400mm，端部设置600mm×600mm的端柱，腹板厚300mm。变截面大梁跨中高1484mm，根部高5311mm，梁宽300mm。两侧框架柱截面为450mm×450mm方柱，框架梁截面为300mm×500mm。两侧端部挡墙厚度为300mm。桥面板厚200mm，桥面次梁截面为300mm×500mm。基础筏板厚1000mm。每侧桥台下方设置9根15m长,Φ800灌注桩，其余位置设置10m,长Φ800灌注桩。平面布置图如图5所示，桥型立面布置如图6所示。

2.2 变截面大梁受力分析

2.2.1 分析概述

桥体结构分析采用midas.gen进行，分析的关键在于变截面大梁，虽称之为梁，但是底部呈圆弧拱状，受力不同于典型的梁单元，相较于典型梁单元，内部存在较大的轴向力。截面内力在梁宽度方向为恒定值，采用平面应力单元[5]进行单元划分，把桥面恒活载转换成节点荷载，施加在单元中面，进行细部分析，得出单元应力，再通过积分的方式得出截面内力。桥面板、基础筏板和槽型桥台采用板单元模拟，梁、柱和桩采用梁单元模拟，整体计算得出内力之后根据规范[6]进行配筋。此种方式计算较为耗时，在计算桥竖向自振频率时，采用把梁沿长度方向分为若干约1m长度梁段，布置变截面梁来模拟，提高计算速度。

2.2.2 分析比较

拱桥的主拱对于纵向位移极为敏感，除位于地基较好的山区之外，平原地区多数拱桥的桥台采用桩基础抗推。对于这种底部拱状的变截面梁单元是否也对纵向位移较为敏感，设计之初仅仅建立变截面大梁和两侧桥台进行分析，假定桥台底部为固定端，应力计算结果如图7所示。通过积分可以得出跨中截面N=-1113kN;M=440.45kN·m，支座处截面N=-557.7kN；M=2327.5kN·m得出大梁跨中截面和支座截面受力类型均为偏压，结合拱的受力特点，这种计算结果是以桥台底端没有位移为前提。

假定大梁产生了1.78mm纵向位移，其纵向应力计算结果如图8所示，竖向应力计算结果如图9所示。通过积分可以得出跨中截面N=422.94kN;M=545.1kN·m，支座处截面N=-416.99kN；M=2468.1kN·m，得出大梁跨中截面受力类型为偏拉，支座截面受力类型为偏压。与图7对比，可以看出大梁对纵向位移也同样极为敏感，当无位移时是偏压，产生1.78mm的纵向位移时，跨中截面受力类型由偏压变成偏拉。如何得到结构实际纵向位移对获得变截面大梁真实内力至关重要。

同时桥台根部弯矩也同样是设计重点，根据整体模型的桥台端部竖向应力云图如图9所示。计算结果可以得到根部N=-918kN；M=923.4kN·m，根据混凝土规范[6]可以得出槽型桥台端柱的配筋。

图7 变截面大梁纵向应力云图(非整体建模)

图8 变截面大梁纵向应力云图(整体建模)

图9 桥台端部竖向应力云图(整体建模)

2.3 结构整体分析

常规结构设计都是将上部结构和基础分开计算。通过上述分析可知，结构的纵向位移对结构受力起到控制作用，若不能精准模拟整个结构纵向变形，就不能够得到变截面大梁的真实设计内力，因此必须采用非常规的设计计算措施。为了进一步了解和探究变截面大梁的力学特征，建立了桥——桩整体模型，根据地质报告将土的基床系数输入桩周，等效成土弹簧模拟桩周土对桩的约束，基床系数按照粉土的常用值取值为20 000kN/m3。把桩沿长度分割成段，每段长度1m，在桩段每个节点处施加两个方向弹性约束，该土弹簧刚度为16 000kN/m，桩端施加两个水平方向约束和一个纵向约束。

结构中纵向位移的大小跟桩数有关，桩数取决于桩的水平承载力，而根据桩基规范[7]可知，桩的水平承载力取决于桩端允许的水平位移,即纵向位移和桩数是相互依存的关系。设计过程中首先结合已建部分拱桥案例，根据工程经验选取桩数，而后进行内力分析，变截面大梁根据内力配筋。此时，注意两点：①配筋结果必须满足混凝土规范[6]的要求，且必须在一个合理的范围；②由纵向位移计算得到的桩水平承载力须大于变截面大梁端部水平推力。具体分析流程如图10所示。

图10 结构分析流程图

通过反复试算，当桥台底部选择9根15m长，Φ800灌注桩时，变截面大梁跨中、支座、桥台应力云图如图8～图9所示，计算得出最大纵向位移为1.78mm，位移图如图11所示。群桩水平承载力预估值为414kN,而结构在1.78mm纵向位移情况下的纵向推力仅为192kN,可见结构不由桩基水平承载力控制，而是由位移和变截面大梁截面内力控制。若纵向位移较大，变截面大梁内力急剧增大，导致配筋极度不合理，为使变截面大梁的配筋在一个合理的且可接受的范围内，须严格控制纵向位移。

图11 纵向位移图

3 其他注意事项

(1)变截面大梁底部圆弧凹面的存在，使得弧形纵向钢筋受力类似于内折角，在钢筋拉应力作用下，梁底部有拉裂的危险，必须根据公路桥梁混凝土规范[8]第9.3.15条验算箍筋强度。

(2)梁支座处受较大弯矩，为保证上部纵向钢筋有效锚固，不宜直接锚固在邻近端柱，应穿过邻近端柱，宜竖直锚固于另一侧端柱。

(3)梁支座下部会受较大的压应力，设计过程中必须保证压应力不得超过混凝土抗压强度设计值，否则应采取措施，例如增加抗压钢筋网、增大变截面大梁宽度或者提高混凝土强度等级。

(4)虽建立了桥-桩整体计算模型，由于计算假定不能满足真实边界条件，计算单元仅考虑弹性阶段受力，未考虑到材料的弹塑性性质，不能够仅依赖计算结果，须结合相关工程经验综合判定结构是否安全。

4 结语

(1)景观桥在尺寸和荷载等级不同于车行桥，分析了传统拱桥、钢桁架拱桥的优缺点。根据景观桥自身特点，除去了传统拱桥的主要受力构件——拱圈，使得变截面大梁成为主要受力构件，形成了轻型桥体结构，有效减轻了上部结构的自重，进而减小了两侧桥

台的抗推压力。又较于钢桁架拱桥有良好的耐久性和抗腐蚀性，采用变截面大梁结构方案有较强的优越性。

(2)针对变截面大梁截面特点，不能采用建筑结构中常用的梁单元模拟。为得到正确的变截面梁内力，采用平面应力单元进行单元划分，采用有限元法分析，得到截面应力，再通过积分计算出截面轴力、弯矩和剪力。

(3)通过建立桥-桩整体模型，采用土弹簧对桩进行约束，模拟桩的受力状态进行分析，可以清晰得知纵向位移对梁内力的影响。针对纵向位移和桩数相互依存的关系，根据工程经验先假定桩数，然后反复调整模型，使得配筋和桩基水平承载力满足规范要求，同时配筋也处于合理范围内的设计思路。

(4)由于梁底部圆弧凹面存在，不能忽视对梁箍筋验算，同时须重视纵筋锚固和支座底部压应力验算等注意事项。计算仅仅是参考手段，必须结合工程实际经验综合判断，合理采用计算结果。

[1] CJJ 69-95 城市人行天桥与人行地道技术规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,1996.

[2] 房贞政. 桥梁工程(第二版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3] 邵旭东， 程翔云， 李立峰. 桥梁设计与计算[M]. 北京:人民交通出版社,2007.

[4] 王国鼎 ,钟圣斌. 拱桥(第二版)[M]. 北京:人民交通出版社,2000.

[5] 吴家龙. 弹性力学(第三版)[M]. 北京：高等教育出版社，2016.

[6] GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

[7] JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2008.

[8] JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范[S]. 北京:人民交通出版社,2004.

Structural design and research of Landscape Bridge of 17 Mile River Park in Zhengzhou

CHANGJianbao1HUXiaobo2

(1.China Union Enginerring Co.,Ltd, Xiamen 361004; 2.Sixth branch of Shanghai Municipal Enginerring Design Institute (group) Co.,Ltd, Hefei 230031)

Landscape bridge of 17 mile river park in Zhengzhou is one kind of footbridge. Both of the size and the load level is completely different to the car bridge, the advantages and disadvantages between the traditional arch bridge and steel truss arch bridge were analyzed, combined the characteristics with the landscape bridge, the arch ring which is main support part were removed , so the beam which is the variable size became the main support part, finally, light bridge structure without arch ring is formed. Two kinds of boundary conditions were used to analyze the stress of the beam, the results showed that the beam with variable cross-section is very sensitive to the longitudinal displacement, according to the engineering experiences and relationships between the displacemen and the pile numbers, method is formed by adjusting the pile numbers many times in the integral model of bridge—pile, Also , the reasonable range of the reinforcement of the beam is ensured.

Landscape bridge; Arch ring; Variable cross-section beam; Plane stress elements; Finite element

常建宝(1984- ),男，一级注册结构工程师。

E-mail:284124016@qq.com

2017-04-26

U442.5

A

1004-6135(2017)09-0071-05