钢管混凝土飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥设计

张红雷

(华设设计集团股份有限公司，南京 210014)

随着城市建设不断推进，河道公园中的人行休闲景观桥逐渐增多，景观桥与自然环境产生呼应关系[1-3]，使通行更方便、舒适，景观结构也更具美感。桥梁设计时必须协调好人行景观桥与周边环境的关系，设计河道公园中的人行休闲景观桥时应遵循“以人民为中心、为城市而设计”的设计理念[4-6]，配合河流两岸的生态景观带，打造高品质公共空间，实现可观、可游的设计目标。

风雨廊桥是一种有屋顶的桥梁，具有遮阳避雨、供人休憩等用途，并且也是聚会交流和欣赏风景的场所之一。借鉴古代风雨廊桥设计理念，采用现代建筑材料和施工工艺，以城市小品类公共景观桥为对象，建造生态景观休闲廊桥[7-10]，提升公园人文景观效果。

根据现代化大跨径城市景观廊桥的设计需求，提出一种飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥设计方案，廊桥桥面结构采用椭圆曲线形桥面板梁，飞燕式斜拉拱肋采用异形空间曲线钢管构形，廊桥顶部为马鞍抛物曲面的透明玻璃顶棚造型，桥面放置花坛和座椅等建筑小品。设计中引入多种曲线元素，使风雨廊桥具有空间曲线之美。

结合某生态景观河道公园的休闲廊桥，开展钢管混凝土飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥的构形研究，同时进行工程参数设计，并建立MIDAS有限元模型，进行内力分析和模态分析研究，以便验证飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥的结构合理性。

1 构型研究

某生态景观河道上需建造一座80 m跨径的现代化休闲风雨廊桥，该桥采用钢管混凝土飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥的结构形式，造型优美，可提升河道公园的人文景观效果。

人行景观廊桥顶部由马鞍状椭圆环钢管结构与正交马鞍面索网结构组成，马鞍面索网上搁置玻璃顶棚，起到遮风挡雨的功用。

典型的双曲抛物面(马鞍面)方程为

(1)

其中，x、y和z为平面直角坐标系三个坐标轴方向上的变量；fx为马鞍面纵向矢高；fy为马鞍面横向矢高；a、b分别为半长和半宽。马鞍形玻璃顶棚如图1所示。

图1 马鞍形玻璃顶棚

马鞍形玻璃顶棚下方设置异形空间曲线钢管构架，弯曲钢管构成飞燕式斜拉拱肋，异形空间曲线钢管构架的平面正投影为椭圆图形，拱肋侧立面投影为余弦函数图形，依据飞燕式斜拉拱桥的造型，将椭圆形状钢管弯曲为W形的飞燕式斜拉拱肋，异形空间拱肋在拱脚处弯曲翘起后形成斜拉索桥塔。

由于马鞍形玻璃顶棚的支撑点跨径距离较大，在飞燕式斜拉拱肋上方设置拱形钢管支架，拱形钢管支架顶住马鞍形玻璃顶棚的异形空间曲线钢管构架，全桥共设置4根拱形钢管支架。

为放置桥面板并提高异形钢管飞燕式斜拉拱肋的整体性，在支座附近的斜拉拱肋之间设置2根钢管支撑梁，全桥共设置4根钢管支撑梁。异形钢管飞燕式斜拉拱肋如图2所示。

图2 异形钢管飞燕式斜拉拱肋

异形钢管飞燕式斜拉拱肋须安装拱肋间下部系杆拉索及拱肋间上部缆索，以加强结构整体性，形成自平衡结构体系。然后安装吊索和尾部斜拉索，异形钢管飞燕式斜拉拱肋悬吊椭圆形桥面板，形成具有马鞍形玻璃顶棚的钢管混凝土飞燕式斜拉拱人行景观廊桥。

为避免下部系杆拉索置于水中阻挡河中行船，钢管混凝土飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥设计为中承式飞燕拱桥。该设计方案将拱肋间下部系杆拉索设置在桥面板标高之上，拱肋间系杆拉索两端锚固于W形的飞燕式斜拉拱肋之中，下部系杆拉索埋置于桥面水泥砂浆找平层之中，桥面水泥砂浆找平层上方铺设地砖，从而确保系杆拉索的耐久性。

异形钢管飞燕式斜拉拱肋的下部系杆拉索设置为犹如悬臂梁结构的正弯矩钢丝缆，异形钢管飞燕式斜拉拱桥的肋间上部缆索设置为犹如悬臂梁结构的负弯矩钢丝缆。钢管混凝土飞燕式斜拉拱设置下部系杆拉索和拱肋间上部缆索后，可大幅提高飞燕式斜拉拱的结构承载力和结构刚度，以便采用浮运拖拉过河的运输方案。浮运拖拉过河方案中拱肋设置如图3所示。

图3 浮运拖拉过河方案中拱肋设置

桥梁设计中引入多种曲线元素，曲线形廊亭桥与弯曲河道景观带二者浑然一体，打造休闲和生态景观相结合的廊桥建筑，实现可观、可游的设计理念，提升人文景观效果。

设计中的马鞍形顶棚风雨廊桥部分结构简洁，兼具美感，远观为马鞍形玻璃顶棚的休闲凉亭，近看是曲线造型的景观廊桥，河道景观带与风雨廊桥相得益彰。

2 施工方案

钢管混凝土飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥的施工步骤为：①依据双曲抛物面(马鞍面)方程下料钢管，火工煨弯钢管并将其运输至施工现场，焊接拼装形成马鞍形顶棚钢管环，并安装正交马鞍面索网，形成马鞍形顶棚架。②依据余弦函数方程和双曲抛物面(马鞍面)方程，确定异形空间曲线钢管拱肋的空间轴线，下料钢管，火工煨弯钢管并将其运输至施工现场，焊接拼装形成异形钢管飞燕式斜拉拱肋。③现场焊接拼装异形钢管飞燕式斜拉拱肋和马鞍形顶棚架，安装拱形钢管支架后，安装钢管支撑梁，形成马鞍形顶棚的飞燕式斜拉拱肋骨架。④安装拱肋间下部系杆拉索，再安装拱肋间上部缆索，形成自平衡结构体系，将该结构浮运拖拉过河，放置于水中桥墩之上。⑤钢管内灌注混凝土，安装拱桥吊索后，安装尾部斜拉缆索，悬吊椭圆形桥面，形成马鞍顶棚的钢管混凝土飞燕式斜拉拱桥。⑥安装马鞍形顶棚的钢化玻璃，桥面花坛和座椅等建筑小品施工，安装LED(发光二极管)路灯并运行使用。马鞍形顶棚的飞燕式斜拉拱桥如图4所示。

图4 马鞍形顶棚的飞燕式斜拉拱桥

弯曲钢管构成异形空间曲线钢管构架的飞燕式斜拉拱肋，作为景观廊桥的结构骨架。椭圆曲线板梁作为中承式桥面板的结构组成，可种植花草。安装拱肋间下部系杆拉索和拱肋间上部缆索，形成自平衡结构体系并将其浮运拖拉过河。拱桥吊索和尾部斜拉缆索悬吊桥面，从而悬吊起椭圆曲线形桥面板梁结构。

3 参数设计

钢管混凝土飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥横跨河道公园景观河道，桥梁总长为80 m，跨径为17 m+36 m+17 m。

廊桥的平面正投影为椭圆图形，该椭圆长轴长度为51 m、宽度为20 m，马鞍形顶棚钢管环采用0.8 m直径钢管，钢管壁厚为12 mm，正交马鞍面钢丝索网固定在马鞍状椭圆环形钢管之上，镀锌高强钢丝缆索直径为0.08 m，纵向设置9道钢丝，横向设置5道钢丝。

飞燕式斜拉拱肋采用异形空间曲线钢管构架外形，其平面正投影为椭圆图形，拱肋侧立面投影为余弦函数图形，采用0.8 m直径钢管，钢管壁厚为14 mm，内灌C60混凝土。

异形空间曲线钢管构架的拱脚处，左右两侧均设置2根横向钢管作为桥面板的支撑横梁，横梁钢管直径为0.8 m，钢管壁厚为16 mm，内灌C40混凝土。

为改善马鞍形玻璃顶棚的受力性能，支座处设置拱形支撑，拱形支撑放置于异形空间曲线钢管构架之上，拱形支撑上部顶紧马鞍状椭圆环形钢管，拱形支撑采用0.4 m直径钢管，钢管壁厚为8 mm，内灌C40混凝土。

马鞍形玻璃顶棚的飞燕式斜拉拱桥中间设置吊缆索悬吊椭圆形桥面板，尾部设置斜拉缆索悬吊直线段桥面板，吊索和斜拉缆索均采用1 670 MPa的镀锌高强钢丝，吊索和斜拉缆索直径均为0.16 m，吊索间距为6 m，斜拉缆索间距为5 m。

钢管混凝土飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥中央拱肋和尾部翘起的斜拉桥塔之间设置拉索，左右各3根，共计12根，拱肋拉索采用1 670 MPa的镀锌高强钢丝，拉索直径为0.16 m，设置拉索形成斜拉拱桥结构体系，减少支座不平衡内力，提高飞燕式斜拉拱结构的刚度。

马鞍形玻璃顶棚的钢管混凝土飞燕式斜拉拱的拱脚支座之间设置系杆拉索，共计4根，拱脚拉索采用1 670 MPa的镀锌高强钢丝，拱脚拉索直径为0.3 m，设置系杆拉索形成飞燕式拱桥结构，减少支座不平衡内力，提高钢管混凝土斜拉拱桥的承载力。

桥面板由中间椭圆形板和两端直线形桥面板组成，桥面板采用钢筋混凝土梁格式加劲梁结构体系，加劲梁高度为1.0 m。MIDAS有限元模型如图5 所示。

图5 MIDAS有限元模型

4 竖向荷载作用下的计算结果

依据《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—95)对主跨桥面做满荷加载，考虑到桥面铺装层和花坛建筑小品等因素，桥面附加恒荷载采用的均布荷载标准值为10 kN/m2，桥面活荷载采用的均布荷载标准值为5 kN/m2。竖向荷载作用下位移计算结果如图6所示，应力计算结果如图7所示。

图6 竖向荷载作用下位移计算结果(单位：m)

(a) 梁单元应力

(b) 索单元应力图7 应力计算结果(单位：MPa)

由计算结果可知，最大竖向位移出现在跨中位置，最大挠度为10.5 mm，满足规范规定的1/500限值要求。索单元最大内力为7 214.0 kN，索单元最大应力为583.5 MPa，满足强度要求。钢管支架最大内力为58 888.6 kN，钢管支架最大应力为82.9 MPa，满足强度要求。

5 模态计算结果

斜拉缆索是该桥的主要承力结构，建模时以初拉力的形式计入斜拉缆索和吊索的成桥内力。为不遗漏任何振型，分析过程中采用子分块法求解特征方程，基于MIDAS的非线性静力分析、应力刚化效应和模态分析功能，进行自振特性分析。典型模态如图8所示。

(a) 1阶振型(正对称竖弯)

(b) 2阶振型(反对称竖弯)

(c) 3阶振型(反对称竖弯)

(d) 4阶振型(正对称侧弯)

(e) 9阶振型(支架变形)

(f) 15阶振型(桥面扭转)图8 典型模态

1阶振型为正对称竖弯，频率为5.284 Hz；15阶振型为扭转振型，频率为21.202 Hz。前10阶振型以侧弯和竖弯振动为主，直到15阶才出现正对称扭转振型。扭弯频率比值为4.01，数值较高，表明结构的抗风稳定性较好。

6 稳定性分析

利用MIDAS软件对该桥进行屈曲分析，得到结构稳定性系数。一般情况下，稳定性系数最小时结构发生失稳的可能性最大。前10阶屈曲模态计算结果如表1所示。

表1 前10阶屈曲模态计算结果

由表1可知，该桥的稳定性安全系数最小值为27.307，满足《钢管混凝土拱桥技术规范》(GB 50923—2013)中该值须大于4.0的规定。

分析表明首尾相连的异形钢管飞燕式斜拉拱肋具有较好的整体性，马鞍形玻璃顶棚也可作为拱肋间的横向支撑，其作用犹如K形横向支撑，因此该桥具有良好的结构稳定性。

7 结语

以某80 m景观河道公园人行桥为工程背景，进行钢管混凝土飞燕式斜拉拱的人行景观廊桥构形研究。建立MIDAS有限元模型，进行竖向荷载作用下的内力分析，并开展动力模态分析，得到以下结论。

(1) 斜拉拱肋采用异形空间曲线钢管构架，造型美观；廊桥顶部为双曲抛物面(马鞍面)的透明玻璃顶棚造型，可遮风挡雨；椭圆曲线桥面设置花坛、座椅，实现可观、可游的设计目标。

(2) 异形空间曲线钢管的空间斜拉拱肋之间设置空间拉索，拱脚之间设置系杆拉索，便于将其浮运拖拉过河。尾部设置斜拉缆索，吊索悬挂椭圆形桥面，形成空间缆索体系，中间拱推力和尾部翘起斜拉拱形桥塔的反方推力互相平衡，构成自平衡结构体系，消除了支座不平衡内力，具有良好的结构受力性能。

(3) 最大竖向位移出现在跨中位置，最大挠度为10.5 mm，满足规范规定的1/500限值要求。索单元最大内力为7 214.0 kN，索单元最大应力为583.5 MPa，满足强度要求。

(4) 前10阶振型以侧弯和竖弯振动为主，直到15阶才出现正对称扭转振型。扭弯频率比值为4.01，数值较高，表明结构的抗风稳定性较好。

(5) 马鞍形玻璃顶棚也可作为拱肋间的横向支撑，其作用犹如K形横向支撑，该桥的稳定性安全系数最小值为27.307，说明该桥具有良好的结构稳定性。