鋼結構人行天橋結構設計簡明計算全過程分析

趙 磊

（山西長治公路勘察設計院，山西 長治 046011）

0 引言

人行天橋作為在車輛繁忙和行人密集的城市區(qū)域和主干道中，保證交通暢通和行人安全，同時起到地標建筑等特殊功能的結構，受到諸多學者的大量研究。劉厚軍等結合城市人行天橋的設計實踐，解決了人行天橋設計中存在的一些常見問題[1]。李玉華以福建省漳州市勝利路人行天橋的設計為例，分析了整體式鋼箱梁在受力方面的良好性能[2]。陳正斌通過闡述城市人行天橋的造型與景觀之間的相互關系，提出能夠從造型與景觀角度塑造城市人行天橋提升美學效果的觀點[3]。單波等提出了一種以膠合竹板為基本材料的現(xiàn)代竹結構人行天橋，研究了短薄膠合竹板橋的成型工藝和構件的力學性能，并通過實驗驗證了其合理性[4]。程曉東分析了鋁合金用于人行天橋存在的問題、對策以及應用前景[5]。馮鵬等研究了FRP人行天橋的結構設計方法和設計指標，并提出了FRP人行天橋的變形限值為跨度的1/500的建議[6]。謝源生等以順德市新德業(yè)天橋為工程背景，介紹了鋼—混凝土混合箱梁人行天橋的設計與施工[7]。王士剛等通過對德國萊茵河畔威爾與法國惠寧恩之間的人行天橋設計，探討了優(yōu)秀人行天橋設計的思路和經(jīng)驗[8]。喬云強等結合國內外一些設計獨特的人行橋案例，分析人行橋的5種美，探討了人行橋設計階段如何實現(xiàn)美觀[9]。王立彬等以拉薩市林廓天橋為工程背景，進行了TMD對人行天橋振動控制的研究[10]。

本文以某人行天橋為例，詳細介紹了鋼結構人行天橋結構設計以及受力計算的全過程，同時也對主橋樁基礎與梯道樁基礎進行了分析計算。

1 工程概況與設計指標

1.1 工程概況

某人行天橋主體為鋼結構。主橋采用跨度布置為（7.5+18.5+7.5）m單箱三室鋼箱梁結構，梯道跨徑為7.3 m+5.75 m，主梁高度為0.9 m，橋寬為3.5 m，橋面人行凈寬3.2 m，梯道寬度3.5 m，梯道人行凈寬3.0 m。主橋下部采用鋼結構墩柱、混凝土承臺和樁基礎；梯道下部采用鋼結構墩柱、混凝土承臺和樁基礎。橋型布置圖如圖1所示。

1.2 主要荷載取值

該天橋主要荷載設計標準如下，自重按鋼容重78.5 kN/m3計算，欄桿荷載集度為0.35 kN/m，橫隔板按集中力1.35 kN加載，混凝土鋪裝及地磚荷載集度為8.5 kN/m，廣告牌荷載集度為5 kN/m，人群荷載取值為4.5 kN/m2。

2 上部結構計算分析

2.1 主橋箱梁計算

2.1.1 箱梁的幾何特性

主橋箱梁的截面形式如圖2所示，梁高0.9 m，單箱三室結構。其截面的幾何特性如表1所示。

圖1 橋型布置圖（立面圖）

圖2 主橋箱梁截面圖

表1 主橋箱梁幾何特性

2.1.2 荷載效應值

主橋箱梁的一期恒載為2.4 kN/m，不安裝廣告牌的二期恒載為5 kN/m，安裝廣告牌的二期恒載為6.1 N/m，活荷載取值為7.05 kN/m。風荷載取值為豎向1.4 kN/m，橫橋向1.4 kN/m。

根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017—2003）第3.2.1條，按照《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009—2012）第3.2條進行荷載組合，具體見表2。

表2 荷載效應組合

2.1.3 計算結果

由于本文鋼結構人行天橋的長細比較大，因此對于本橋結構的驗算，不僅需要驗算強度是否需要滿足要求，還要驗算本橋結構的穩(wěn)定性，經(jīng)計算可知，主橋箱梁強度與穩(wěn)定性均滿足要求。限于篇幅，表3僅給出了主橋第2跨（主跨）的強度與穩(wěn)定性驗算結果。

表3 主橋箱梁強度穩(wěn)定性驗算表

取最不利狀態(tài)進行主橋撓度驗算，實際撓度與容許撓度的對比關系如圖3所示。由于本橋是對稱結構，第1跨和第3跨的最大撓度均為4.1 mm(L/1 820)小于容許撓度12.5 mm；主跨最大撓度為11.5 mm(L/1 610)小于容許撓度30.8 mm，均滿足規(guī)范要求。

圖3 主橋箱梁撓度對比圖

2.2 梯道箱梁計算

2.2.1 梯道箱梁的幾何特性

梯道箱梁為單箱三室結構，梁高0.9 m。梯道箱梁截面的幾何特性如表4所示。

表4 梯道箱梁幾何特性

2.2.2 荷載效應值

梯道箱梁的一期恒載為1.3 kN/m，不安裝廣告牌的二期恒載為3 kN/m，安裝廣告牌的二期恒載為7 N/m，活荷載取值為2 kN/m，風荷載取值為豎向1.4 kN/m，橫橋向1.4 kN/m。

由于所受的荷載類型相同，所需要驗算的內容也相同，因此荷載效應組合同表2。

2.2.3 計算結果

經(jīng)計算，第1跨、第2跨以及第3跨梯道鋼箱梁結構滿足強度和穩(wěn)定性要求，主跨梯道箱梁的強度穩(wěn)定性驗算結果如表5所示。

驗算最不利狀態(tài)撓度，得到第1跨最大撓度1.9 mm(L/3 884)小于容許撓度12.2 mm；第2跨最大撓度0.4 mm(L/13 062)小于容許撓度9.6 mm，均滿足規(guī)范要求。

表5 主跨梯道箱梁強度穩(wěn)定性驗算表

3 下部結構計算分析

3.1 主橋墩柱計算

3.1.1 主橋墩柱的幾何特性

主橋墩柱截面的幾何特性如表6所示。

表6 主橋墩柱的幾何特性

3.1.2 主橋墩柱設計內力

墩柱為壓彎構件，其設計內力為軸力500 kN，平面內彎矩30 kN·m，剪力30 kN，不承受平面外的力。

3.1.3 主橋墩柱的驗算結果

3.1.3.1 柱構件強度驗算結果

《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017—2003）第5.2.1條強度驗算的計算公式為：

相關符號含義見規(guī)范原文。

主橋墩柱構件強度計算最大應力6.13 MPa小于容許應力[f]=295.0 MPa；柱構件強度驗算滿足。

3.1.3.2 柱構件平面內穩(wěn)定驗算結果

《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017—2003）第 5.2.2條整體構件平面內穩(wěn)定性計算公式為：

相關符號含義見規(guī)范原文。

柱構件平面內穩(wěn)定計算最大應力為5.40 MPa小于容許應力[f]=295.0 MPa。

3.1.3.3 分肢穩(wěn)定驗算結果

《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017—2003）第 5.2.6條分肢平面內穩(wěn)定性的計算公式同式（2），分肢平面外穩(wěn)定性的計算公式為：

相關符號含義見規(guī)范原文。

對本例驗算得，左肢穩(wěn)定計算應力18.56 MPa小于容許應力[f]=295.0 MPa；格構柱左肢驗算滿足。右肢穩(wěn)定計算應力21.26 MPa小于容許應力[f]=295.0 MPa；格構柱右肢驗算滿足。

3.1.3.4 單肢局部穩(wěn)定驗算

《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017—2003）第5.4.1條壓彎構件局部穩(wěn)定性的計算公式為：

相關符號含義見規(guī)范原文。

梯道墩柱左肢腹板計算高厚比H0/Tw=24.67小于容許高厚比33.0；左肢翼緣寬厚比B/T=6.17小于容許寬厚比10.7。右肢腹板計算高厚比H0/Tw=24.67小于容許高厚比33.0；右肢翼緣寬厚比B/T=6.17小于容許寬厚比10.7。因此單肢穩(wěn)定性滿足規(guī)范的要求。

3.2 樓梯墩柱計算

樓梯墩柱計算過程同主橋墩柱的計算過程一致，此處不再贅述。通過計算分析發(fā)現(xiàn)，樓梯墩柱設計合理，結構強度以及穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求。

3.3 樁基計算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG D63—2007）第5.3.3單樁軸向受壓容許承載力[Ra]計算公式為：

式中：u為樁周長；qik為樁側摩阻力標準值；li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層厚度；AP為樁端橫截面面積；m0為清底系數(shù)；λ為修正系數(shù)；hi為樁嵌入各巖層部分的厚度；fa0為樁端處承載力基本容許值；k2為允許承載力隨深度的修正系數(shù)；r2為樁端以下土層的加權平均重度。代入具體數(shù)值計算得[Ra]=1 840 kN。

表7給出了主橋樁頂反力計算結果。

表7 主橋樁頂反力計算表 kN

單樁樁底最大軸向力：

計算得N=720 kN，故單樁樁底最大軸向力Nmax為720 kN小于容許承載[Ra]=1 840 kN，滿足要求。另經(jīng)計算，梯道樁基同樣滿足要求。

4 結論

本文通過一座典型鋼結構人行天橋進行靜力計算分析與驗算，詳細介紹了鋼結構人行天橋結構設計以及受力計算的全過程，得出以下結論。

a）本文所設計的主箱梁和梯道箱梁強度、穩(wěn)定性滿足要求；主箱梁和梯道箱梁撓度滿足規(guī)范的要求，不需要額外設置預拱度。

b）本文所設計的主橋墩柱和梯道墩柱強度滿足承載力要求，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

c）該人行鋼橋的成功設計表明，采用薄壁單箱多室鋼箱梁結構，通過對主橋箱梁與梯道箱梁承載力、撓度、穩(wěn)定性，墩柱承載力、穩(wěn)定性，基礎承載能力等3個方面進行詳細計算分析，能夠成功地解決此類鋼結構人行天橋的靜力計算設計問題。