悬带拱桥试设计研讨

1悬带拱桥试设计

悬带拱桥拱肋计算跨径64m,悬带总跨径为80.8m,悬带中间段34m支撑在拱肋上,两端通过混凝土斜杆与拱脚连接固定在基础承台上,拱顶距离水面高度6.4m,总体布置如图4所示，拱肋为板拱,采用混凝土实腹矩形截面,截面宽度2.1m,截面高度由拱顶0.348m变化至拱脚0.700m,拱轴线采用悬链线,拱轴系数m=2.541。拱肋采用C70高强混凝土,现浇法施工。桥梁拱顶及1/4跨处的横断面如图5所示。承台设置于水中,尺寸(长×宽×高)为3.0m×2.0m×1.4m,采用钢筋混凝土桩基础,圆形截面,混凝土强度等级C40。承板横桥向共布置两段,沿桥梁纵桥向中心线对称布置,采用C70混凝土现浇而成,截面为实腹矩形截面。悬带由两段悬链线形的钢索包裹在不锈钢钢管内组成,在整个纵桥向形成一个W线形。钢管采用Q345钢材,管形截面,外径0.22m,壁厚0.02m。纵向预应力束采用OVM-TJ.E单根可换式无粘结体外预应力体系,体外束采用15s15.24,全桥共2束,对称布置在桥面横向两侧。钢索的外套管通过节点处的螺栓与桥面部分连接。桥台处构造及中间段悬带与拱连接处构造如图6所示。桥面板采用C80高强混凝土进行预制的钢筋混凝土板。桥梁悬带部分采用2个3.5m宽的锚碇固定在桥梁两端,拱脚与斜杆固定在混凝土基础承台上。

2受力性能分析

利用Midas/Civil程序分别建立威尼斯四桥和悬带拱桥的空间有限元计算模型。威尼斯四桥的计算模型中,所有构件均采用梁单元进行模拟。模型共539个节点,730个单元。桥梁两端固结,约束拱脚截面5个点的平动及转动自由度以模拟实桥的边界状况。设计荷载考虑结构自重、二期恒载、人群荷载和温度荷载。二期恒载考虑桥面板及桥面铺装、栏杆等,以均布力的方式进行加载。桥面板及桥面铺装根据近似计算,以10kN/m的均布力作用在中心拱肋上,栏杆作用力按JTGD60-2004《公路桥涵设计通用规范》取值。专用人行桥梁,人群荷载标准值为3.5kN/m2,横向布置在桥面净宽内,布载时按照车道荷载布载。考虑到横梁采用箱形截面,截面高度不高,壁厚较薄,认为日照引起的温度影响较小,故温度荷载只考虑系统升降温。计算温度20℃,体系升温26℃,体系降温41℃。悬带拱桥的计算模型中,构件分别采用梁单元和桁架单元进行模拟,钢索采用桁架单元模拟,其余均采用梁单元。模型共402个节点,134个桁架单元,266个梁单元。边界条件为桥面板两端限制其竖向及横桥向的平动自由度,基础承台与地面刚性连接。人群荷载与威尼斯四桥模型一致。温度荷载也仅考虑系统升降温,计算温度20℃,体系升温14℃,体系降温23℃,同时根据JTGD61-2005《公路圬工桥涵设计规范》规定,计算拱圈的温度作用效应时乘以0.7的系数。桥面板预应力通过对钢索施加初拉力进行施加,初拉力的初始值由自重下结构的水平推力确定,最终值由桥面板及二期恒载下结构的水平推力确定。

2.1静力性能

采用3种荷载组合进行研究,分别为极限承载能力验算组合(1.2恒载+1.4人群荷载+0.7×1.4体系升降温)、作用短期效应组合(1.0恒载+1.0人群荷载+1.0体系升降温)和作用长期效应组合(1.0恒载+0.4人群荷载+1.0体系升降温)。经验算,威尼斯四桥及试设计悬带拱桥在不同的荷载组合下各主要构件的受力均满足规范及设计要求。威尼斯四桥的中心拱肋和底拱肋为主要受力构件,边拱肋主要保持结构的稳定,横梁及斜撑为主要传力构件,局部受力较大。拱脚处产生较大的水平推力,自重作用下为7010kN,在最不利荷载工况下,水平推力最大为11610kN。对于试设计悬带拱桥,悬带为直接承重构件,在荷载作用下产生较大的拉力,通过斜杆传递平衡部分拱肋水平推力,其余的水平推力由基础承担。自重作用下,基础承台产生的水力为2670kN,最不利荷载工况作用下,基础承台产生的最大水力为3120kN,为威尼斯四桥的0.27倍。

2.2人行舒适度

试设计悬带拱桥和威尼斯四桥的人行舒适度评价均根据ISO规范的相关规定进行计算。对比两桥的计算结果发现,按照ISO规范,在单个行人荷载激励下,威尼斯四桥和试设计悬带拱桥均能满足舒适度要求,行走在桥上不会产生不舒适的感觉。当行人步伐频率与结构固有频率一致时所引起的振动响应,两桥都要大于两者不一致时引起的振动响应,这与一般规律是相符的。同时,两桥竖向激励引起的振动响应都要大于横向激励引起的振动响应。威尼斯四桥竖向荷载激励下加速度最大值发生在以1阶竖弯频率激励时的跨中截面,最大值为0.256cm/s2,横向荷载激励下加速度最大值发生在以2阶侧弯频率激励时的跨中截面,最大值为0.151cm/s2。试设计悬带拱桥竖向荷载激励下加速度最大值发生在以1阶竖弯频率激励时的跨中截面,最大值为1.645cm/s2,为威尼斯四桥的6.4倍,横向荷载激励下加速度最大值发生在以2阶侧弯频率激励时的跨中截面,最大值为0.116cm/s2,为威尼斯四桥的0.77倍。说明试设计悬带拱桥与威尼斯四桥相比,竖向刚度较小。

2.3抗震性能

抗震分析中,两桥采用同样的地震波———EI-Centro波(南北向),把地震波同时施加于三向(横桥向、纵桥向、竖向)和只施加在两个主方向(纵桥向和横桥向)分别进行计算,同时将三向加震和两向加震的计算结果进行比较,讨论竖向地震动对两桥地震响应的影响程度。地震作用下,两桥横桥向受力均以横向弯矩和扭矩为主,与威尼斯四桥相比,悬带拱桥的横向弯矩和扭矩均降低了30%;纵桥向受力以纵向弯矩和轴力为主,悬带拱桥的纵向弯矩和轴力降低了27%和68%。竖向地震动对悬带拱桥和威尼斯四桥的轴力、纵向弯矩、竖向剪力、竖向位移及纵向位移均有一定的影响,而对横桥向内力、横桥向位移的影响可以忽略。同时,悬带拱桥对抵抗竖向地震动比威尼斯四桥强。

3施工、造价、功能与景观分析

3.1施工方案

威尼斯四桥和试设计悬带拱桥上部结构施工的关键都在于拱肋的施工。威尼斯四桥拱肋施工采用节段拼装法,把拱肋分成3部分,在工厂进行预制,通过驳船运到施工现场,直接进行拼装。试设计悬带拱桥可用以下两种施工方法施工拱肋:一种为节段法施工木拱支架再现浇混凝土拱肋;另一种为竖向转体施工木拱支架再现浇混凝土拱肋。威尼斯四桥施工方法步骤简单,施工工序较少,由于采用节段拼装,构件制作均在工厂进行,并可在工厂进行模拟施工,可保证施工质量。然而钢结构的采用,需要较大的吊装能力,中间节段高度较高,受威尼斯大运河上已有桥梁桥下净空的限制,每天只有特定的几分钟退潮期才可以通行,运输耗费较大的人力物力。试设计悬带拱桥的施工工序多于威尼斯四桥,但无需大型的吊装设备,木拱支架制作简单,运输方便,更适合在狭小场地内施工。

3.2材料使用与工程造价

表1、2分别给出了威尼斯四桥和试设计悬带拱桥主要材料的使用情况。对比表1、2可以发现:试设计悬带拱桥材料用量省,主要材料的使用量明显低于威尼斯四桥。悬带拱桥主要结构采用混凝土,但使用量为威尼斯四桥的0.28倍;威尼斯四桥主要结构采用钢材,悬带拱桥钢材的使用量为其0.0018倍。威尼斯四桥工程实际花费940万欧元,造价达1.958万欧元/m2。根据对已建悬带拱桥的调查发现,该桥型造价为2000欧元/m2左右,其中迈可劳林大道上的悬带拱人行桥,桥梁总长92m,桥面宽5.2m,工程总造价为110万欧元,约合2300欧元/m2。试设计悬带拱桥的工程总预算为64万欧元,远远低于威尼斯四桥的造价。

3.3功能与建筑景观

威尼斯四桥采用了通透的主拱结构、极坦的矢跨比、现代高强轻质的钢材和玻璃,一跨跨越运河两岸。主结构的钢材采用红色油漆,而桥面突出栏杆的边缘部分采用白色,桥面板与栏杆采用淡蓝色玻璃,试图达到与当地环境融为一体的效果。然而其过分张扬的外观、繁复的装饰使游人更多地注意到桥梁本身而非威尼斯瑰丽的水上建筑,破坏了游人对城市空间与建筑韵律的感知,显得突兀而不合情理。威尼斯四桥的人行道上没有设置供轮椅通过的坡道,过于陡峭的台阶也给老人及携带大量行李的游客造成了不便。试设计悬带拱桥,悬带由两段悬链线形的钢索外包不锈钢钢管再铺装桥面板组成,在整个纵桥向形成W线形。色彩上遵循与周围建筑和谐一致的原则。拱肋、斜杆和桥面板预制块全部采用混凝土,桥面用天然的伊斯特拉大理石表层铺装,不设台阶,为行人通行提供了便利。主结构的颜色均为混凝土的灰白色,与周围建筑墙面颜色一致。桥的栏杆采用玻璃制作,青铜色的扶手装饰,在栏杆的最尾端,靠近桥台处,采用天然伊斯特拉大理石装饰,其上刻浅浮雕。栏杆的淡蓝色玻璃与天空、水面交相辉映。桥梁结构轻盈灵巧,线条流动且富于美感,底面简洁质朴,作为建筑个体既具有审美情趣,又能与周围的景色和谐地融为一体,达到了浑然天成的意趣。

4结语

以“威尼斯大运河上的第四座桥”为工程背景,进行了悬带拱桥的试设计研究。通过对威尼斯四桥和试设计悬带拱桥的静力性能、人行舒适度、抗震性能、施工、造价和景观等方面的比较分析,表明试设计悬带拱桥静力性能和动力性能都符合相关规范的规定,具有可行性。同时,悬带拱桥的曲线优美,结构轻盈,受力合理,与原设计相比节省了材料,大大降低了工程造价,具有较高的推广价值。

作者：冯阅 陈宝春 林航 单位：福州大学土木工程学院