南京太平北路人行天橋設(shè)計(jì)

李豐群，李秉南

(東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210096)

1 工程概況

南京市太平北路過街天橋位于南京市四牌樓的文昌橋附近，跨越太平北路，是連接?xùn)|南大學(xué)東西兩個(gè)校區(qū)、方便師生和周圍市民過街的重要通道。老天橋建于1993年，后因地鐵三號(hào)線的建設(shè)施工需要而封閉拆除。

根據(jù)東南大學(xué)與南京地鐵的協(xié)議和太平北路總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，地鐵三號(hào)線通車后，將恢復(fù)具備同樣功能的過街通道。

太平北路是南京一條特色鮮明的的園林景觀道路，道路兩側(cè)綠樹掩映，環(huán)境優(yōu)美，周邊文化氛圍濃厚。太平北路是南京著名的“水杉景觀大道”。天橋的建設(shè)不僅是方便兩側(cè)行人過街的通道，更應(yīng)是這條景觀大道上的重要景觀。

2 橋梁設(shè)計(jì)

2.1 建筑立意

橋梁方案的創(chuàng)意來源于東南大學(xué)學(xué)生制作的建筑模型。這種橋型為梁、索塔張拉整體結(jié)構(gòu)，是由一組連續(xù)的拉桿和不連續(xù)的(或擴(kuò)充到連續(xù)的)壓桿組合而成的自應(yīng)力、自支撐的網(wǎng)狀桿系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是土木、建筑專業(yè)學(xué)生制作現(xiàn)代、大跨建筑模型的常用結(jié)構(gòu)，可以體現(xiàn)東南大學(xué)土木、建筑、交通等學(xué)科特色。橋梁的造型非常輕巧，極具現(xiàn)代感，與太平北路的水杉大道相協(xié)調(diào)，提升了周邊環(huán)境的品質(zhì)。

桅桿式斜拉橋是一種新型的結(jié)構(gòu)體系，本橋?qū)⑦@種結(jié)構(gòu)體系的主梁設(shè)計(jì)為折線形，使梯道盡快落地以縮短天橋長(zhǎng)度，構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)合理，同時(shí)在造型上取得了輕盈、通透、美觀的效果。

2.2 總體設(shè)計(jì)

太平北路天橋采用桅桿式斜拉橋，橋梁主跨37.6 m，橋面總寬5 m。主梁縱斷面縱坡為設(shè)1.0%，采用R=600 m的豎曲線半徑；橫向設(shè)1%雙向坡(由橋面鋪裝成坡)。

橋下車行道通行凈空為5 m，人非車道通行凈空為2.5 m。

2.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)上部結(jié)構(gòu)

橋梁主跨37.6 m，橋面總寬5 m。

主梁采用折線梁，采用雙邊箱鋼梁截面，邊箱截面高度為0.6 m，寬度0.6 m。雙邊箱主梁之間設(shè)置橫梁和水平斜撐，橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距1.9 m，采用矩形截面；斜撐采用圓形鋼管截面。

橋面板采用正交異性板，寬3.8 m；橋面鋪裝部分寬3.6 m，為增加水泥砂漿與鋼結(jié)構(gòu)表面粘結(jié)力，在橋面板頂面焊接φ6@150鋼筋網(wǎng)。

主墩處橋塔采用直徑0.426 m的圓形鋼管截面，橋面以上高度10 m。中間的塔桿也采用圓形鋼管截面，高度和截面直徑依次變小。

主梁和主塔均采用Q345C鋼材。

拉索采用73Ф5、37Ф5和19Ф5三種高強(qiáng)鍍鋅鋼絲組成的成品索，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa，雙層PE保護(hù)層，冷鑄錨錨固體系；錨固墩的拉桿采用40Cr鋼棒。拉索兩端采用叉耳式連接器與塔桿和主梁連接。

(2)下部結(jié)構(gòu)

主墩采用樁柱式橋墩，主墩直徑0.6 m，上端設(shè)擴(kuò)大頭，下接直徑1.0 m鉆孔灌注樁，橫橋向樁頂之間設(shè)置系梁。

兩端拉索與主梁錨固處的下方設(shè)置抗拉的錨固墩，錨固墩和主梁之間采用鋼拉桿連接，錨固墩采用直徑1.0 m鉆孔灌注樁。

(3)梯道

橋位西側(cè)設(shè)置兩個(gè)梯道供行人上下橋使用，才采用鋼結(jié)構(gòu)制作，主梯道寬5.0 m，邊梯道寬2.6 m。

梯道也采用Q345C鋼材。

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

(1)計(jì)算參數(shù)選擇

上部結(jié)構(gòu)桿系模型采用Midas間有限元程序進(jìn)行計(jì)算分析。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載主要有恒載、二期恒載和活載等。

溫度荷載：設(shè)計(jì)成橋溫度為20 ℃，體系升溫采用30 ℃，體系降溫采用30 ℃；

人群荷載：4.0 KN/m2；

地震作用：7度區(qū)，設(shè)計(jì)基本加速度0.1 g；

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.45 KN/m2(按照設(shè)計(jì)風(fēng)速27.1 m/s取用)。

(2)主要計(jì)算結(jié)論

根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ69-1995)，需對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度及動(dòng)力特性進(jìn)行驗(yàn)算分析。主要計(jì)算結(jié)論有：①天橋上部結(jié)構(gòu)由人群荷載引起引起的豎向最大撓度為40 mm，遠(yuǎn)小于撓度限值L/400滿足規(guī)范要求；②上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算按承載能力極限狀態(tài)組合進(jìn)行計(jì)算，全橋上部結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為78.4 MPa，出現(xiàn)在西側(cè)主梯道上的支座上方橫梁，其次邊塔柱根部，最大應(yīng)力為70.9 MPa，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。③橋梁動(dòng)力特性計(jì)算表明，本橋上部結(jié)構(gòu)第一階豎向自振頻率為2.04，第一階橫向振動(dòng)頻率為1.82。我國(guó)現(xiàn)行人行橋設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ69-95)要求“上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz”，本橋顯然無法滿足，故需進(jìn)行減振分析。

(3)減振分析

如前文所述，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范通過回避敏感頻率范圍內(nèi)的頻率來滿足橋梁振動(dòng)允許值，要求上部結(jié)構(gòu)豎向基頻大于3 Hz，這是值得探討的。

首先，一般來講，設(shè)置天橋的城市主干道一般為雙向6～10車道，道路寬度在30～50 m，為了不影響橋下交通，一般采用一跨跨越。如果采用箱梁，箱梁梁高一般在1.2～2.2 m之間，豎向自振基頻在不額外增加梁高的情況下，很難達(dá)到3.0 Hz。其次，規(guī)范只對(duì)豎向基頻有規(guī)定，對(duì)側(cè)向振動(dòng)的敏感頻率不作要求，顯然也是不科學(xué)的。第三，如果增加梁高使得結(jié)構(gòu)基頻滿足要求，則會(huì)浪費(fèi)大量的鋼材。因此目前較好的解決辦法是進(jìn)行減振分析，阻尼減振是抑制振動(dòng)行之有效的方法。

本橋跨度較大，其第一階豎向自振頻率和人群步行頻率較為接近。當(dāng)大量人群在橋面上行走時(shí)，步行激勵(lì)易引起一階共振。

基于以上分析，結(jié)合類似工程案例，經(jīng)計(jì)算需要在橋的跨中部位設(shè)置TMD(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)減小天橋振動(dòng)。經(jīng)過測(cè)試，減振效果十分明顯，滿足相關(guān)規(guī)范的舒適度限值要求。

3 項(xiàng)目的特點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 造型美觀、結(jié)構(gòu)新穎

桅桿式斜拉橋是一種新型的結(jié)構(gòu)體系，本工程將這種結(jié)構(gòu)體系的主梁設(shè)計(jì)為折線形，使梯道盡快落地以縮短天橋長(zhǎng)度，構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)合理，同時(shí)在造型上取得了輕盈、通透、美觀的效果。

圖2 不同步頻下減振前后加速度時(shí)程曲線對(duì)比

3.2 采用新材料、新工藝

橋梁橋面鋪裝采用環(huán)氧砂漿+火燒面花崗巖面磚，環(huán)氧砂漿具有防水效果好、粘結(jié)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，火燒面花崗巖面磚的防滑效果好、美觀耐久的特點(diǎn)。

橋梁塔柱頂部燈筒采用太陽能照明，既節(jié)約了電力能源的成本，又不需要在結(jié)構(gòu)上敷設(shè)管線影響景觀，取得了較好的效果。

3.3 設(shè)置TMD阻尼器控制振動(dòng)舒適度

本工程橋梁上部結(jié)構(gòu)較柔，橋上行人的激勵(lì)在某些工況下可能產(chǎn)生過大的振動(dòng)，影響行人的舒適度。本工程在跨中主梁底部設(shè)置8個(gè)TMD阻尼器，經(jīng)過測(cè)試，減振效果十分明顯，基本滿足規(guī)范的舒適度限值要求。

4 結(jié)束語

天橋地居城市中央，不僅是一個(gè)可通達(dá)的建筑物，更是承載了城市居民的某種情感。

太平北路過街天橋復(fù)建工程于2016年4月開工，經(jīng)過8個(gè)多月的建設(shè)，于2016年12月順利竣工。天橋建成后，景觀及使用效果受到東南大學(xué)師生及市民的普遍贊譽(yù)。