跨多股道鋼箱梁天橋的結(jié)構設計

沈耀海

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 橋梁設計院，北京 102600)

1 工程概述

本工程屬于改建鐵路包蘭線增建第二線某新建車站的一部分工程，跨越既有3股道和新建3股道并與鐵路線路正交.站臺2和站臺3的中間位置在天橋兩側(cè)分別設有梯道、自動扶梯和電梯，其中梯道和自動扶梯分別通過與天橋連接的牛腿支撐搭接在天橋上，不再另設墩.主橋采用跨度(26.7+31.5) m的連續(xù)梁，并在遠離站房側(cè)設長度為3.5 m的懸臂端，全長為62.1 m，橋面寬度為8.4 m.橋梁靠近站房一端通過板式橡膠支座與站房預留牛腿直接連接，中墩和邊墩分別設在站臺2和站臺3的中間，如圖1所示.

圖1 人行天橋平面圖Fig.1 Plane graph of pedestrian bridge

2 結(jié)構設計

2.1 結(jié)構選型

由于進站天橋橫跨既有3股道，為了使既有線正常運營、減少上部結(jié)構施工對鐵路行車安全的影響，梁體宜采用工廠分段制造、現(xiàn)場吊裝、工地拼焊的施工方式.根據(jù)橋下鐵路凈空要求，梁底至軌面距離大于8.0 m，而站房與軌面的高差為9.23 m，由此得知天橋梁高不得大于1.23 m，使其截面非常“扁平”.無論是施工要求還是截面要求，混凝土截面已經(jīng)不再適用.與此同時，鋼結(jié)構具有強度高、塑性韌性好、抗震性能好以及便于加工、運輸、組裝等一系列的優(yōu)點，被廣泛應用于各類人行天橋的設計中[1].本設計中天橋的主梁擬采用鋼結(jié)構箱型截面.

人行天橋主橋鋼箱梁等主要受力構件采用Q345D鋼材，次要構件及附屬結(jié)構采用Q235B鋼材.鋼箱梁截面設計為單箱雙室直腹板兩側(cè)加懸臂梁的形式，見圖2.鋼箱梁全長為62.1 m，梁高1.2 m，橋面寬8.4 m，底板外緣寬6.1 m，頂?shù)装灏搴駷?4 mm，腹板及支點隔板板厚為12 mm.為方便檢修安裝，支點隔板設有橢圓形進人洞.頂板、底板、腹板及懸臂板均設置水平和縱向加勁肋，厚度均為10 mm.

圖2 鋼箱梁標準斷面圖Fig.2 The standard section of steel box girder

由于天橋兩側(cè)梯道和自動扶梯均直接搭接在鋼梁上，可在箱梁兩側(cè)腹板上焊接箱型牛腿進行連接.此時，鋼箱梁頂板應在相應位置開豁口取消懸臂端，并在箱梁內(nèi)側(cè)設置加勁肋來分散梯道和自動扶梯傳來的集中荷載.

為了盡量減少橋墩及基礎施工對既有線運營的影響并考慮到施工的方便，基礎采用直徑1.2 m的鉆孔灌注樁，墩柱采用直徑1 m的鋼管混凝土雙柱式橋墩，其鋼管外徑為1.0 m，壁厚為14 mm，內(nèi)灌C40混凝土.

2.2 建模與計算

由于進站天橋結(jié)構的特殊性，結(jié)構設計可參照《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)[2]、《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》(CJJ 69—1995)[3]和《鐵路橋梁鋼結(jié)構設計規(guī)范》(TB 10002.2—2005)[4]等設計規(guī)范進行.作用于鋼箱梁的恒載包括結(jié)構自重、基礎沉降影響及橋面二期荷載，其中，橋面二期荷載包括橋面鋪裝、人行道欄桿、搭接于箱梁上的梯道及自動扶梯作用力等重量.活載為人群荷載，另外還要考慮風荷載、系統(tǒng)升降溫以及地震作用.

在對橋梁構件進行檢算時，荷載組合仍可按照TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》的3種組合進行，其組合方式為：

(1)主力：自重+二期恒載+支座不均勻沉降+人群荷載.

(2)主力+附加力：

①主力+溫度變化+墩身縱向風力;

②主力+溫度變化+墩身橫向風力+梁體橫向風力.

(3)主力+特殊荷載：

①自重+二期恒載+人群荷載+縱向地震作用;

②自重+二期恒載+人群荷載+橫向地震作用.

全橋采用空間有限元軟件Midas Civil 計算，按梁單元建模，共離散為112個單元(如圖3所示).其中，墩底約束效按固結(jié)考慮，主梁與中墩固結(jié)，與邊墩采用豎向支撐模擬板式橡膠支座.設計橋梁地區(qū)抗震設防烈度為8度，地震動峰值加速度為0.2 g，地震動反應譜特征周期Tg=0.35 s，通過反應譜分析進行抗震計算，可得到結(jié)構的縱、橫向地震作用數(shù)值.

另外，鋼箱梁面在荷載作用下會產(chǎn)生剪力滯效應，可依據(jù)相關規(guī)定對鋼箱梁翼板進行有效寬度折減.本設計參考英國標準《鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋》(BS 5400)和日本標準《道路橋示方書·同解說(Ⅱ鋼橋篇)》，分別計算了箱梁不同位置如頂板翼緣內(nèi)側(cè)、底板翼緣內(nèi)側(cè)及頂板翼緣外側(cè)的有效寬度，并取其中較小者作為最終的有效寬度.

圖3 人行天橋有限元模型Fig.3 The finite element model of pedestrian bridge

通過分析，可知鋼箱梁在各種荷載工況下的應力水平均滿足規(guī)范要求.其中，主梁上下緣的最大拉/壓應力如表1所示，均位于主梁與中墩連接處截面，此處亦是天橋兩側(cè)梯道和自動扶梯集中荷載作用處，所以有必要在此位置的箱梁內(nèi)側(cè)設置更多加勁肋來分散應力.

表1 不同荷載組合下主梁最大應力表Tab.1 The maximum stress in different load combination MPa

2.3 豎向自振頻率分析

為了避免進站乘客過橋時產(chǎn)生共振引起不安全感，《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》(CJJ 69—1995)中規(guī)定人行天橋的豎向自振頻率不小于3.0 Hz[3].仍然采用Midas Civil軟件對結(jié)構進行自振模態(tài)分析，最后得出結(jié)構的前三階自振模態(tài)頻率、周期與振型特點，見表2.由表2可以看出，第三階振型為豎向彎曲，其自振頻率為3.144 Hz，滿足規(guī)范的要求.

表2 人行天橋結(jié)構前三階自振模態(tài)頻率、周期與振型特點Tab.2 The top three frequencies, periods and the mode of vibrations of pedestrian bridge

分析可知，豎向自振頻率最大值出現(xiàn)在主梁31.5 m梁段的跨中，假如將中墩與主梁的連接方式改為板式橡膠支座，此處的豎向自振頻率則變?yōu)?.936 Hz，不再滿足規(guī)范要求，所以豎向自振頻率為本天橋設計的控制條件.

根據(jù)以往的設計經(jīng)驗，在豎向自振頻率不滿足要求的時候，通過加大梁高可以有效提高結(jié)構的豎向自振頻率，但是本設計受鐵路凈空條件的限制，加大梁高無法實現(xiàn).已知影響天橋豎向自振頻率的主要因素是跨中截面的綜合剛度，如果將中墩與梁體固結(jié)就可以提高截面剛度，進而達到提高結(jié)構豎向自振頻率的目的.在中墩與主梁固結(jié)實際施工時，可將墩柱頂板與鋼梁底板焊接，分別在連接處墩柱和箱梁內(nèi)焊接一定數(shù)目的鉤筋和剪力釘并澆注混凝土進行加強.

2.4 安裝設計

在架設鋼箱梁時，可采用在工廠分段預制焊接完成后再運送至現(xiàn)場吊裝對接的施工方式，這樣就可以盡量減少橋梁施工對既有鐵路的影響，充分發(fā)揮鋼箱梁施工方面的優(yōu)勢.為便于拼裝拆卸，臨時支墩采用碗扣式腳手架，并對臨時支架地基進行相應的處理.為確保臨時支墩不侵入既有鐵路限界，可將整片鋼梁分為4個梁段吊裝，從站房側(cè)開始，每段長度依次為12.2 m、18.55 m、19.95 m和11.4 m，其中最大吊裝重量為55 t.在各梁段吊裝就位并現(xiàn)場焊接完成構成主體后，方可繼續(xù)進行梯道及其他附屬結(jié)構的施工.

3 結(jié)語

(1)鋼結(jié)構箱梁具有高強度、跨越能力強以及便于加工組裝等一系列的優(yōu)點，在設計、施工條件受限制較多的情況下仍能滿足要求，在各類人行天橋的應用中優(yōu)勢非常明顯；

(2)對于大跨度的鋼箱梁人行天橋結(jié)構設計來說，豎向自振周期往往成為主要控制因素，在不加高梁高的情況下，將中墩與箱梁固結(jié)，可以有效地提高箱梁的截面剛度，滿足豎向自振周期的要求.

參考文獻：

[1] 孫少軍.武昌火車站進站天橋鋼箱梁結(jié)構設計[J].中華建設,2007(6):46-47.

[2] TB 10002.1—2005.鐵路橋涵設計基本規(guī)范[S].2005.

[3] CJJ 69—1995.城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范[S].1999.

[4] TB 10002.2—2005.鐵路橋梁鋼結(jié)構設計規(guī)范[S].2005.