深圳站前廣場人行天橋設(shè)計

吳 杰

(西南交大土木工程設(shè)計有限公司廣州分公司，廣東廣州 510095)

過街人行天橋作為行人過街的一種功能性建筑，與社會人群的交流密不可分，在提供舒適、安全等功能性服務(wù)外，在建筑外形上的塑造也要力求美觀、新穎，同時兼顧與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)，力求打造出具有區(qū)域特色的公共服務(wù)空間元素。本文以一座站前廣場人行天橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例進(jìn)行介紹。

1 工程概況

該人行天橋地處深圳坪山站旁，天橋一跨跨越丹梓西路，可方便周邊行人進(jìn)、出站前廣場，兩側(cè)設(shè)置人行梯道下地，行人通過天橋主梁兩側(cè)設(shè)置的人行梯道下地。天橋主橋全長47.5 m(見圖1)，采用下承式鋼桁架結(jié)構(gòu)。主橋?qū)?.5 m，人行道凈寬5.0 m，梁高為0.6 m;樓梯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，寬度為3.75 m，設(shè)置1.0 m的推車帶。主橋單側(cè)墩柱采用4根直徑為80 cm柱+100 cm的樁，樓梯下部采用直徑為60 cm柱+80 cm的樁。

圖1 橋型立面布置圖

2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

人群荷載:主橋為3.6 kPa;樓梯步級:36 cm×12 cm;橋下凈空:車行道范圍不小于5 m，人行道范圍不小于2.5 m;地震烈度:場地抗震設(shè)防烈度為7度。設(shè)計基本地震加速度值為0.1g;天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不小于3 Hz。

3 總體設(shè)計

主梁計算跨徑為47.5 m，橋?qū)挒?.5 m，采用下承式鋼桁架拱結(jié)構(gòu)，矢高 8.0 m，矢跨比約為 1/5.94，腹桿標(biāo)準(zhǔn)間距為 5.0，鋼桁架主受力構(gòu)件采用Q345Qc。其橋面橫向布置為0.5 m(縱梁)+0.25 m(欄桿地袱)+5.0 m(人行帶)+0.25 m(欄桿地袱)+0.5 m(縱梁)。樓梯最大計算跨徑為8.48 m，梯道橋面寬度為3.75 m，其橋面橫向布置為0.25 m(欄桿地袱)+1.0 m(推車帶)+2.25 m(人行帶)+0.25 m(欄桿地袱)。踏步尺寸為36 cm×12 cm，每18階踏步間設(shè)置2 m寬一般平臺。主梁計算跨徑為47.5 m，主梁采用等高度布置。主橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，縱向設(shè)置兩條主縱梁，縱梁間通過橫梁連接，通過在橫梁間設(shè)置的U形鋼板共同形成橋面系。主墩采用4根直徑為80 cm柱+100 cm的樁。梯道梁高0.45 m，樓梯采用直徑為60 cm柱+80 cm的樁。主梁斷面布置圖見圖2。在主梁與人行梯道相接位置，通過在主梁上設(shè)置支撐平臺與梯道相連(見圖3)，既限制了主梁的橫向位移，又避免了主梁最外側(cè)支座出現(xiàn)負(fù)反力，對主梁整體受力有利。支撐牛腿高0.40 m，主縱梁標(biāo)準(zhǔn)梁高0.60 m，在連接位置梁高變?yōu)?.905 m，與牛腿連接形成整體受力。

圖2 主橋斷面布置圖

圖3 主梁與梯道連接大樣

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，主縱梁、主拱截面尺寸為60 cm高×50 cm寬，橫向間距6 m，橫向連接件尺寸為30 cm高×20 cm寬，標(biāo)準(zhǔn)間距2.5 m，橋面U形鋼板厚8 mm，橋面系鋪裝2 cm大理石，兩者間通過水泥砂漿填充。

4.1 鋼桁架設(shè)計

鋼桁架結(jié)構(gòu)制造分段如圖4所示，主要劃分為:主拱、主拱橫撐、主縱梁、橋面系橫梁、腹板、節(jié)點板，節(jié)點和桿件構(gòu)造由工廠預(yù)制完成，運抵現(xiàn)場根據(jù)施工順序組拼成節(jié)段后吊裝架設(shè)。由于主梁鋼結(jié)構(gòu)為全焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)焊縫較多，所產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力較大，制造過程中，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量采用焊接變形小、焊縫收縮小的工藝，要求盡量采用CO2氣體保護(hù)焊。節(jié)點板設(shè)計是各構(gòu)件中最重要的組成部分，既是結(jié)構(gòu)受力的傳遞點，又是保證結(jié)構(gòu)線形組裝時的關(guān)鍵部件，節(jié)點板為異形板，厚度為20 mm，需采用矩形鋼板切割形成，不得拼板。桿件與節(jié)點之間連接保證各桿件在節(jié)點處各軸線交于一點，節(jié)點板設(shè)計見圖5。

圖4 主橋鋼桁架分配圖

4.2 構(gòu)件加工、連接

人行天橋的鋼結(jié)構(gòu)各板件的平直度必須滿足要求，鋼材的下料應(yīng)以受力合理、施工方便為原則。對圖5中所標(biāo)柱的鋼結(jié)構(gòu)尺寸，均為22℃基準(zhǔn)溫度下的尺寸，加工下料時需考慮留有余量。鋼結(jié)構(gòu)的制作必須結(jié)合豎曲線加工制造，還應(yīng)考慮節(jié)段的壓縮彈性變形、焊接變形等，節(jié)段接縫通過調(diào)整張口大小以實現(xiàn)設(shè)計線形。各節(jié)段的橫向總體尺寸必需嚴(yán)格控制，節(jié)段間接縫的公差應(yīng)控制在制造規(guī)范容許的范圍內(nèi)，以利于節(jié)段接縫順利拼接和施焊。在工廠分節(jié)段制造鋼結(jié)構(gòu)，按照節(jié)段的編號，經(jīng)在胎架上預(yù)拼合格后焊成形或較大的運輸節(jié)段。

圖5 A2節(jié)點板設(shè)計示意圖

人行天橋桁片組成板件的接料應(yīng)采用全熔透對接焊，并且按規(guī)范要求錯開橫向焊縫間的距離。桁架的弦桿及腹桿等結(jié)構(gòu)的腹板與頂、底板間的焊縫均采用全熔透焊，腹板采用角焊縫連接。焊接要求采用二氧化碳(CO2)氣體保護(hù)焊?，F(xiàn)場施焊要求安排合理的施焊順序，以減小接縫的焊接變形，控制結(jié)構(gòu)的總體線形。

4.3 計算分析

主橋鋼桁架建模計算采用MIDAS按梁單元建立空間模型。計算圖式如圖6所示。

圖6 計算模型

1)計算參數(shù)。鋼桁拱均采用Q345q鋼，彈性模量為2.1×105MPa，容重 γ =78.5 kN/m3?；炷寥葜?γ =26 kN/m3;橋面鋪裝大理石容重為28 kN/m3。橋面U形鋼板、混凝土墊層和大理石鋪裝為二期恒載共計16 kN/m。鋼欄桿每延米重1.6 kN加載。活載:當(dāng)加載長度為21 m～100 m(100 m以上同100 m)時:

其中，W為單位面積的人群荷載，kPa;L為加載長度，m;B為半橋?qū)挾?，m。大于4 m時仍按4 m計。可以得到W=3.61 kPa;考慮橋位站前廣場的人流特點，計算時采用5 kPa。

圖7 結(jié)構(gòu)振型分析

2)對結(jié)構(gòu)豎向自振頻率分析驗算，自振分析中橋梁的二期恒載轉(zhuǎn)化為節(jié)點集中質(zhì)量，前六階自振周期見圖7。天橋振型主要表現(xiàn)為橫向位移及扭轉(zhuǎn)，其豎向自振頻率為5.3 Hz大于3 Hz，滿足規(guī)范要求。

3)穩(wěn)定性分析。采用第一類線彈性穩(wěn)定計算方法對鋼桁架橋進(jìn)行穩(wěn)定計算，其一階失穩(wěn)模態(tài)見圖8。由圖8可知，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)為9.36，本橋穩(wěn)定性較好。

圖8 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

4)主桁架內(nèi)力計算。主桁架按梁單元計算，在計算中計入了節(jié)點剛性在主桁桿件中引起的次應(yīng)力。a.主拱肋(上弦桿):σmax=－26.9 MPa，σmin= －57.12 MPa(其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))，具體位置見圖9，所有構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求。b.主縱梁:σmax=54.7 MPa，σmin=－54.7 MPa(其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))，具體位置見圖10，所有構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求。

圖9 主拱應(yīng)力圖

圖10 主縱梁應(yīng)力圖

5 結(jié)語

深圳站前廣場人行天橋為下承式鋼桁架結(jié)構(gòu)，中間不設(shè)橋墩，一跨跨越下穿丹梓西路，為將來丹梓西路改造預(yù)留了改造空間。本文建立全橋有限元模型，并考慮施工步驟，準(zhǔn)確模擬分析人行橋受力特性，保證基頻與舒適度滿足使用要求。目前深圳站前廣場人行天橋已建成，與坪山站整體風(fēng)格協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，使一座美觀、輕便的人行天橋呈現(xiàn)在人們的面前，豐富了行人的視野。

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