基于英國(guó)BS5400規(guī)范的港口鋼人行橋設(shè)計(jì)

文振軍　黃華

摘 要：本文結(jié)合安哥拉納米貝油碼頭工程鋼桁架人行橋的設(shè)計(jì)實(shí)例，解析按照英國(guó)BS5400規(guī)范進(jìn)行人行橋設(shè)計(jì)的思路和流程，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為同類工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：BS5400規(guī)范 三角鋼桁架 人行橋設(shè)計(jì)

納米貝油碼頭工程位于大西洋東海岸安哥拉共和國(guó)西南部，納米貝灣北部Porto Saco，該工程擬建造一個(gè)7萬(wàn)噸級(jí)油氣碼頭泊位。碼頭前沿設(shè)有1個(gè)工作平臺(tái)，2個(gè)靠船墩和3個(gè)系纜墩，工作平臺(tái)、靠船墩和系纜墩間設(shè)置鋼人行橋聯(lián)接，根據(jù)總圖布置，人行橋跨徑有11m、13.5m、25.5m和28.5m四種。合同要求鋼人行橋按照BS 5400規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，其構(gòu)造應(yīng)不妨礙船只系泊時(shí)帶纜通行，人行橋的面板采用透空的鋼格柵板。

建設(shè)條件及設(shè)計(jì)思路

1、建設(shè)條件

納米貝灣南北寬約3海里，掩護(hù)條件良好，波浪小；納米貝灣屬炎熱干旱的沙漠氣候，受本格拉寒流和西南西北向季風(fēng)影響，降雨量少，最高氣溫約32°C，最低氣溫約18°C。除偶爾有持續(xù)約1小時(shí)龍卷風(fēng)外，很少有大風(fēng)天氣，瞬時(shí)陣風(fēng)最大風(fēng)速約25m/s。

2、設(shè)計(jì)思路

按照安全、經(jīng)濟(jì)、適用、耐久兼顧美觀的設(shè)計(jì)原則，人行橋根據(jù)跨徑選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，采用工廠加工整體拼裝，航運(yùn)至碼頭工地后吊裝施工，采用板式橡膠支座支承在已建的墩臺(tái)上。

設(shè)計(jì)荷載

1、關(guān)于人群荷載

2、關(guān)于風(fēng)荷載

3、荷載組合

人行橋設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外港口碼頭鋼人行橋常采用實(shí)腹式鋼板梁、拱式鋼桁架、平行弦鋼桁架等結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)使用條件選擇上承式或下承式橋梁結(jié)構(gòu)。結(jié)合納米貝油碼頭人行橋的使用要求，在構(gòu)思人行橋方案時(shí)，對(duì)跨度為11m、13.5m的人行橋，選用上承式鋼板梁結(jié)構(gòu)；對(duì)跨度為25.5m和28.5m的人行橋，擬在下承式鋼板梁、上承式平行弦鋼桁梁等結(jié)構(gòu)型式中進(jìn)行比選。

1、下承式鋼板梁方案

鋼板梁橋的主梁一般采用工字鋼、H形鋼或焊接工形梁等形式，主梁要求有足夠的強(qiáng)度和剛度。主梁結(jié)構(gòu)受截面應(yīng)力和剛度控制，主梁高跨比通常在1/15～1/25之間，主梁間距和橋?qū)拰?duì)梁高影響比較大。

以跨度28.5m鋼橋?yàn)槔?，上部結(jié)構(gòu)采用雙主梁形式，為保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，梁高擬定為1.3m。當(dāng)采用上承式鋼板梁時(shí)，要求相應(yīng)墩臺(tái)開挖槽口尺寸較深，對(duì)靠開槽深度，在滿足人行橋凈空要求的前提下，采用下承式鋼板梁型式，橫斷面如圖1所示。

2、上承式鋼桁架方案

以往國(guó)內(nèi)碼頭工程鋼人行橋設(shè)計(jì)，比較多采用下承拱式鋼桁架型式，為了方便帶纜通行，會(huì)在主桁下平聯(lián)結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置挑臂，架設(shè)帶纜通道。納米貝油碼頭要求人行道通行凈寬不小于1m，橋面1.2m高度以上無障礙，同時(shí)該項(xiàng)目國(guó)外咨詢工程師要求人行橋?qū)挾缺M可能窄。受上述條件限制，傳統(tǒng)的下承式拱式鋼桁架外側(cè)設(shè)帶纜通道的方案未被采納。為節(jié)省用鋼量，降低工程造價(jià)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，人行橋主梁最終采用上承式三角鋼桁架方案，橫斷面布置如圖2所示。

3、方案比選

經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較顯示：相同跨度和寬度情況下，在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下，上承式三角鋼桁架方案比下承式鋼板梁方案用鋼量要省，經(jīng)濟(jì)性好；三角鋼桁架結(jié)構(gòu)輕巧，造型美觀，振動(dòng)及穩(wěn)定性亦較好，最終作為推薦方案被采納。

4、鋼桁架橋總體布置

以跨度L=28.5m為例，人行橋采用一跨簡(jiǎn)支的上承式空間三角鋼管桁架結(jié)構(gòu)，由空間腹桿和上平聯(lián)將平行的3根弦桿（2根上弦桿和1根下弦桿）聯(lián)接起來構(gòu)成空間主桁體系。全橋僅端部有1對(duì)腹桿在豎直平面內(nèi)，其余均為空間斜腹桿。上平聯(lián)的作用：一是滿足結(jié)構(gòu)橫向受力需要，二是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。主桁上弦桿兩端用工字鋼加強(qiáng)，作為支承處的傳力構(gòu)件，工字梁底面平整，亦方便主桁梁端底面支座的布設(shè)。

考慮人行橋橋面與兩端系纜墩的銜接，同時(shí)減小碼頭高潮位時(shí)對(duì)人行橋上部結(jié)構(gòu)的影響，最終確定主桁桁高為1.7m（結(jié)構(gòu)高跨比H/L約為1/16），主桁中心寬1.5m，節(jié)間長(zhǎng)度為2m。

主桁上弦桿為φ168x10mm鋼管，下弦桿為φ203x10mm鋼管，主桁兩端的6對(duì)腹桿和上平聯(lián)的橫向撐桿為φ108x8mm鋼管，其余斜腹桿及上平聯(lián)的斜向撐桿為φ83x7mm鋼管。橋面系采用鏤空的鋼格柵板，用工字鋼小縱梁支撐在上平聯(lián)的橫向撐桿上。

主桁結(jié)構(gòu)采用工廠組拼，船舶海運(yùn)至碼頭后采用吊裝施工，以節(jié)省工期，確保施工質(zhì)量。

2、結(jié)構(gòu)變形與預(yù)拱度設(shè)置

BS 5400規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形未做明確要求，但指出應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度以滿足排水等使用要求。中國(guó)規(guī)范《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 152-2012）規(guī)定：桁架式主梁由可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值所引起的豎向撓度不應(yīng)超過其跨度的1/800。在人群荷載作用下，桁架結(jié)構(gòu)跨中豎向撓度f(wàn)=30.4mm< L/800=34.4mm（L為計(jì)算跨徑），滿足要求。在結(jié)構(gòu)自重作用下，桁架結(jié)構(gòu)跨中豎向撓度f(wàn)=16.8mm。自重及人群荷載作用下結(jié)構(gòu)跨中豎向撓度合計(jì)為47.2mm，已超過跨度的1/1600，宜在結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)預(yù)設(shè)上拱度，上拱度取L/1000。

3、結(jié)構(gòu)振動(dòng)與舒適度

根據(jù)BS 5400-2：2006附錄B，對(duì)上部結(jié)構(gòu)，在不加載時(shí)結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)的基頻大于5Hz，在加載時(shí)結(jié)構(gòu)水平向振動(dòng)的基頻大于1.5Hz時(shí)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性能是滿足使用要求的。當(dāng)結(jié)構(gòu)豎向基頻f0小于等于5Hz時(shí)，要求結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件的最大豎向加速度a小于0.5√f0m/s2。

結(jié)構(gòu)的基頻與結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)，剛度越大，結(jié)構(gòu)的基頻也越大。對(duì)桁架結(jié)構(gòu)而言，加大桁高、增大桿件截面都是改善結(jié)構(gòu)基頻的有效手段。但從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性角度考慮，為防止桁架發(fā)生側(cè)傾失穩(wěn)、彎扭屈曲，桁高不宜太高；從發(fā)揮材料的力學(xué)性能和節(jié)省造價(jià)角度考慮，桁架桿件截面也不宜太大。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、材料選用

根據(jù)合同要求應(yīng)采用滿足BS5400標(biāo)準(zhǔn)的鋼材。原設(shè)計(jì)鋼材擬采用S275 J2，設(shè)計(jì)修編時(shí)根據(jù)鋼橋在國(guó)內(nèi)加工組拼的實(shí)際情況，在征得國(guó)外咨工同意后，以國(guó)標(biāo)Q345B鋼材代替英標(biāo)S275 J2（經(jīng)分析比較，國(guó)標(biāo)Q345B力學(xué)性能完全滿足BS5400要求）。

2、連接設(shè)計(jì)

鋼桁架人行橋除端部支承處采用工字型鋼外，其余桿件均采用無縫鋼管，構(gòu)件連接均采用焊接。鋼管縱向接長(zhǎng)采用對(duì)接焊縫。鋼管間的K形連接、T形連接均采用相貫焊縫，上弦管在端部開槽，將工字型鋼腹板沿弦桿軸向插入，兩者采用坡口焊連接。工字梁的加勁肋均采用雙面角焊縫連接。上述鋼管間對(duì)接焊縫、相貫焊縫、坡口焊縫、角焊縫等均應(yīng)滿足BS5135的相關(guān)規(guī)定和要求。

3、防腐涂裝設(shè)計(jì)

納米貝油碼頭鋼人行橋處于海上大氣環(huán)境，環(huán)境腐蝕級(jí)別為C5-M（很高），根據(jù)ISO12944的相關(guān)規(guī)定，人行橋防腐涂裝體系選擇ISO12944-5/A5M.06-EP/PUR。

結(jié)語(yǔ)

納米貝油碼頭鋼人行橋按照英國(guó)規(guī)范BS5400設(shè)計(jì)，采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。國(guó)內(nèi)《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 152-2012）亦采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，與BS5400規(guī)范設(shè)計(jì)方法相似，而《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ025-86）仍采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

BS5400規(guī)范與國(guó)內(nèi)鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范在材料、荷載、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性）等諸多方面都有較大差異，在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)予以注意。關(guān)于人群荷載，BS5400僅對(duì)專用人行橋做了規(guī)定，對(duì)港口人行橋未做規(guī)定；國(guó)內(nèi)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）規(guī)定作用于港口工程人行引橋結(jié)構(gòu)上的人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)人行通道寬度小于1.2m時(shí)為2kPa，可作為參考取值。關(guān)于結(jié)構(gòu)基頻，BS5400規(guī)定人行橋在不加載時(shí)結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)基頻大于5Hz時(shí)振動(dòng)性能滿足要求。國(guó)內(nèi)僅《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-95）規(guī)定：為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz。這一要求較BS5400要求偏低。

上承式三角鋼桁架結(jié)構(gòu)，造型新穎，受力明確，與實(shí)腹鋼板梁相比用鋼量較省，可作為國(guó)內(nèi)外港口工程人行引橋的備選方案，值得研究和推廣。

（第一作者單位：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司）

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、材料選用

根據(jù)合同要求應(yīng)采用滿足BS5400標(biāo)準(zhǔn)的鋼材。原設(shè)計(jì)鋼材擬采用S275 J2，設(shè)計(jì)修編時(shí)根據(jù)鋼橋在國(guó)內(nèi)加工組拼的實(shí)際情況，在征得國(guó)外咨工同意后，以國(guó)標(biāo)Q345B鋼材代替英標(biāo)S275 J2（經(jīng)分析比較，國(guó)標(biāo)Q345B力學(xué)性能完全滿足BS5400要求）。

2、連接設(shè)計(jì)

鋼桁架人行橋除端部支承處采用工字型鋼外，其余桿件均采用無縫鋼管，構(gòu)件連接均采用焊接。鋼管縱向接長(zhǎng)采用對(duì)接焊縫。鋼管間的K形連接、T形連接均采用相貫焊縫，上弦管在端部開槽，將工字型鋼腹板沿弦桿軸向插入，兩者采用坡口焊連接。工字梁的加勁肋均采用雙面角焊縫連接。上述鋼管間對(duì)接焊縫、相貫焊縫、坡口焊縫、角焊縫等均應(yīng)滿足BS5135的相關(guān)規(guī)定和要求。

3、防腐涂裝設(shè)計(jì)

納米貝油碼頭鋼人行橋處于海上大氣環(huán)境，環(huán)境腐蝕級(jí)別為C5-M（很高），根據(jù)ISO12944的相關(guān)規(guī)定，人行橋防腐涂裝體系選擇ISO12944-5/A5M.06-EP/PUR。

結(jié)語(yǔ)

納米貝油碼頭鋼人行橋按照英國(guó)規(guī)范BS5400設(shè)計(jì)，采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。國(guó)內(nèi)《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 152-2012）亦采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，與BS5400規(guī)范設(shè)計(jì)方法相似，而《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ025-86）仍采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

BS5400規(guī)范與國(guó)內(nèi)鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范在材料、荷載、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性）等諸多方面都有較大差異，在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)予以注意。關(guān)于人群荷載，BS5400僅對(duì)專用人行橋做了規(guī)定，對(duì)港口人行橋未做規(guī)定；國(guó)內(nèi)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）規(guī)定作用于港口工程人行引橋結(jié)構(gòu)上的人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)人行通道寬度小于1.2m時(shí)為2kPa，可作為參考取值。關(guān)于結(jié)構(gòu)基頻，BS5400規(guī)定人行橋在不加載時(shí)結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)基頻大于5Hz時(shí)振動(dòng)性能滿足要求。國(guó)內(nèi)僅《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-95）規(guī)定：為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz。這一要求較BS5400要求偏低。

上承式三角鋼桁架結(jié)構(gòu)，造型新穎，受力明確，與實(shí)腹鋼板梁相比用鋼量較省，可作為國(guó)內(nèi)外港口工程人行引橋的備選方案，值得研究和推廣。

（第一作者單位：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司）

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、材料選用

根據(jù)合同要求應(yīng)采用滿足BS5400標(biāo)準(zhǔn)的鋼材。原設(shè)計(jì)鋼材擬采用S275 J2，設(shè)計(jì)修編時(shí)根據(jù)鋼橋在國(guó)內(nèi)加工組拼的實(shí)際情況，在征得國(guó)外咨工同意后，以國(guó)標(biāo)Q345B鋼材代替英標(biāo)S275 J2（經(jīng)分析比較，國(guó)標(biāo)Q345B力學(xué)性能完全滿足BS5400要求）。

2、連接設(shè)計(jì)

鋼桁架人行橋除端部支承處采用工字型鋼外，其余桿件均采用無縫鋼管，構(gòu)件連接均采用焊接。鋼管縱向接長(zhǎng)采用對(duì)接焊縫。鋼管間的K形連接、T形連接均采用相貫焊縫，上弦管在端部開槽，將工字型鋼腹板沿弦桿軸向插入，兩者采用坡口焊連接。工字梁的加勁肋均采用雙面角焊縫連接。上述鋼管間對(duì)接焊縫、相貫焊縫、坡口焊縫、角焊縫等均應(yīng)滿足BS5135的相關(guān)規(guī)定和要求。

3、防腐涂裝設(shè)計(jì)

納米貝油碼頭鋼人行橋處于海上大氣環(huán)境，環(huán)境腐蝕級(jí)別為C5-M（很高），根據(jù)ISO12944的相關(guān)規(guī)定，人行橋防腐涂裝體系選擇ISO12944-5/A5M.06-EP/PUR。

結(jié)語(yǔ)

納米貝油碼頭鋼人行橋按照英國(guó)規(guī)范BS5400設(shè)計(jì)，采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。國(guó)內(nèi)《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 152-2012）亦采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，與BS5400規(guī)范設(shè)計(jì)方法相似，而《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ025-86）仍采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

BS5400規(guī)范與國(guó)內(nèi)鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范在材料、荷載、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性）等諸多方面都有較大差異，在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)予以注意。關(guān)于人群荷載，BS5400僅對(duì)專用人行橋做了規(guī)定，對(duì)港口人行橋未做規(guī)定；國(guó)內(nèi)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）規(guī)定作用于港口工程人行引橋結(jié)構(gòu)上的人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)人行通道寬度小于1.2m時(shí)為2kPa，可作為參考取值。關(guān)于結(jié)構(gòu)基頻，BS5400規(guī)定人行橋在不加載時(shí)結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)基頻大于5Hz時(shí)振動(dòng)性能滿足要求。國(guó)內(nèi)僅《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-95）規(guī)定：為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz。這一要求較BS5400要求偏低。

上承式三角鋼桁架結(jié)構(gòu)，造型新穎，受力明確，與實(shí)腹鋼板梁相比用鋼量較省，可作為國(guó)內(nèi)外港口工程人行引橋的備選方案，值得研究和推廣。

（第一作者單位：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司）