鋼結(jié)構(gòu)在人行天橋中的應(yīng)用探究

陳陽(yáng)陽(yáng)

摘 要：隨著城市化的不斷發(fā)展，城市交通面臨著極其嚴(yán)峻的壓力。為了解決行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)安全和對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)通行干擾的問(wèn)題，許多路段、交叉口修建了人行天橋。由于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重大、抗裂性差且造型古板，已不能適應(yīng)城市的快速發(fā)展，而鋼結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度高、抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于人行天橋建設(shè)。通過(guò)提高鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理性可以有效地提高整個(gè)工程的質(zhì)量和安全性，提高路橋設(shè)計(jì)的整體水平，從而更好地滿足當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)快速發(fā)展時(shí)期對(duì)建筑行業(yè)發(fā)展的需求。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);人行天橋;應(yīng)用優(yōu)勢(shì);優(yōu)化策略

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）23-0108-03

Abstract： With the continuous development of urbanization， urban traffic is facing extremely severe traffic pressure. In order to solve the problems of pedestrian and non motor vehicle safety and reduce the interference to motor vehicle traffic， pedestrian overpasses are built at corresponding sections and intersections. Because the traditional reinforced concrete structure has great self weight， poor crack resistance and old-fashioned shape， it can not adapt to the rapid development of the city. Steel structure has the advantages of light weight， high tensile strength and high compressive strength. Now it is widely used in the construction of pedestrian overpass. By improving the structural rationality of steel structure， the quality and safety of the whole project can be effectively improved and the overall level of road and bridge design can be improved. So as to better meet the demand for the development of the construction industry in the period of rapid economic and technological development in China.

Keywords： steel structure;footbridge;application advantages;optimization strategy

人行天橋，也稱(chēng)人行立交橋，通常建在十字路口、廣場(chǎng)、商業(yè)街以及繁忙的鐵路上。只有行人才能通過(guò)人行天橋，從而避免與車(chē)輛交通沖突，確保交通安全。人行天橋是城市步行空間的一種形式，在緩解交通壓力方面發(fā)揮著重要作用。城市人行天橋的建設(shè)具有良好的社會(huì)效益，能夠有效實(shí)現(xiàn)人車(chē)分離、改善交通擁堵、提高城市居民生活質(zhì)量。人行天橋的設(shè)置可以避免交通混流帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是在人口密集的發(fā)展中國(guó)家，人行天橋?qū)⒃谖磥?lái)城市發(fā)展中發(fā)揮極其重要的作用[1]。

1 鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的特點(diǎn)

由于鋼材具有良好的塑性、韌性和變形能力，能承受動(dòng)載荷，是一種理想的彈性體，且橋梁鋼結(jié)構(gòu)施工具有加工精度高、效率高、抗震性能好、交通恢復(fù)快等特點(diǎn)，在相同條件下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于混凝土，因此鋼結(jié)構(gòu)人行天橋（見(jiàn)圖1）已成為現(xiàn)代城市交通建設(shè)中不可缺少的一部分。

2 鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 力學(xué)與加工的性能較強(qiáng)

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)不僅自重低，而且具有較大的強(qiáng)度，特別適合大跨度、重載的工程應(yīng)用。此外，鋼結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的塑性，能夠吸收靜載荷下的變形，不會(huì)因突然過(guò)載而斷裂。鋼結(jié)構(gòu)具有高韌性和良好的動(dòng)力性能，適合在動(dòng)載荷下連續(xù)工作。

2.2 工業(yè)化程度高、施工周期短

鋼結(jié)構(gòu)所用材料能夠軋制成各種型材，加工方便快捷。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件由專(zhuān)業(yè)加工廠加工，精度高且質(zhì)量有保障。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量輕，連接簡(jiǎn)單，運(yùn)輸方便[2]。隨著工程的機(jī)械化，工期大大縮短。同時(shí)，連接螺栓設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)加固、改造和拆卸的實(shí)用優(yōu)勢(shì)使其廣泛適用于其他結(jié)構(gòu)工程。

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果切合實(shí)際

由于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的冶煉和軋制過(guò)程進(jìn)行了科學(xué)控制，鋼材的成分及內(nèi)部組織質(zhì)量能夠得到有效控制。鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力與工程力學(xué)計(jì)算的應(yīng)力基本相同[3]，有效降低了設(shè)計(jì)計(jì)算模擬過(guò)程的不確定性。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的優(yōu)勢(shì)

鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量比承重骨架和混凝土結(jié)構(gòu)輕，運(yùn)輸和吊裝成本低。因此，在同等跨徑的基礎(chǔ)下，采用鋼結(jié)構(gòu)的人行天橋相較于采用其他材料的人行天橋在造價(jià)上更具優(yōu)勢(shì)。

3 人行天橋鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)理念

3.1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁的整體設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)人行天橋建設(shè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。施工人員可以將橫隔板、頂板、底板、腹板、縱隔板和加勁肋焊接在一起，形成鋼結(jié)構(gòu)人行天橋。這樣既能滿足承載力設(shè)計(jì)要求，又能縮短建設(shè)工期，減少阻斷交通的時(shí)間。如果采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，不僅會(huì)延長(zhǎng)工期，而且會(huì)增加后期維護(hù)的難度[4]，因此設(shè)計(jì)人員在現(xiàn)代城市環(huán)境中優(yōu)先考慮鋼結(jié)構(gòu)在人行天橋中的應(yīng)用。

3.2 人行天橋鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，人行鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用的鋼結(jié)構(gòu)除了必須滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求外，設(shè)計(jì)人員還必須進(jìn)行完整性設(shè)計(jì)，考慮鋼結(jié)構(gòu)橋梁荷載穩(wěn)定性和剛度，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)投入使用后的損壞情況進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)損傷及損傷容限要求

鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工完成后，難免會(huì)出現(xiàn)損壞或小裂縫，必須及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，否則會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)大裂縫，降低鋼結(jié)構(gòu)的使用性能。鋼結(jié)構(gòu)的損傷容限是指鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠承受各種原因引起的裂縫或其他損傷。設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)避免安全風(fēng)險(xiǎn)或工作失誤，確保鋼結(jié)構(gòu)在其使用壽命內(nèi)的安全性和可靠性，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的正常使用有重大影響[5]。設(shè)計(jì)人員必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，保證設(shè)計(jì)完整性，以防止鋼結(jié)構(gòu)損壞，保證鋼結(jié)構(gòu)橋梁在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的正常運(yùn)行。

4 人行天橋鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

4.1 重視結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始重視鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，并取得了許多成果，但關(guān)于如何從結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)角度提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁使用年限的研究較少。鋼結(jié)構(gòu)壽命與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有根本不同，國(guó)內(nèi)外實(shí)踐表明，鋼結(jié)構(gòu)的耐久性對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著決定性作用。

4.2 重視疲勞損傷研究

車(chē)輛荷載和風(fēng)荷載在鋼結(jié)構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)中是動(dòng)態(tài)的，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，而且會(huì)使材料中產(chǎn)生許多微小誤差。這些誤差的積累會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷并發(fā)展成宏觀裂縫。如果宏觀裂縫得不到有效控制，很可能導(dǎo)致材料和結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷通常難以檢測(cè)，但其后果往往是災(zāi)難性的，因此對(duì)疲勞損傷的研究必須引起足夠的重視。

5 人行鋼結(jié)構(gòu)天橋的質(zhì)量設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的人行天橋結(jié)構(gòu)類(lèi)型包括簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁結(jié)構(gòu)和中間承載式桁架等。通常采用MIDAS Civil有限元軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)人行天橋進(jìn)行模擬分析計(jì)算，通過(guò)軟件將模型簡(jiǎn)化，分節(jié)計(jì)算。計(jì)算時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)賦予自重并加載荷載組合，從而對(duì)人行天橋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。通過(guò)有限元軟件計(jì)算后，和相關(guān)規(guī)范所要求的限度進(jìn)行對(duì)比，查看整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性及桿件位移和垂直方向的自振頻率是否達(dá)到規(guī)范要求。當(dāng)做完主體結(jié)構(gòu)計(jì)算后，再對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)焊接和螺栓連接強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，從而得出各邊的焊縫長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)所需的螺栓數(shù)、螺栓分布情況。

5.2 振動(dòng)設(shè)計(jì)

橋梁的振動(dòng)主要由兩個(gè)因素造成，即行人行走和車(chē)輛行駛。在處理人行天橋的動(dòng)荷載時(shí)，應(yīng)考慮校正。當(dāng)行人在中心移動(dòng)時(shí)，人行天橋產(chǎn)生雙向循環(huán)荷載。當(dāng)交通流量增加時(shí)，動(dòng)荷載也會(huì)增加[7]。因此，通過(guò)動(dòng)力分析計(jì)算乘客荷載和橋梁振動(dòng)響應(yīng)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算振動(dòng)響應(yīng)和橋梁雙向振動(dòng)響應(yīng)。然后對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，并對(duì)橋梁的固有頻率和最大位移進(jìn)行計(jì)算和仿真，驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5.3 防腐設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)主體長(zhǎng)期暴露在空氣、陽(yáng)光和雨水中，更容易氧化。使用過(guò)程中應(yīng)考慮防腐蝕處理，外露部分可采用防腐涂層（見(jiàn)圖2）。對(duì)于結(jié)構(gòu)表面現(xiàn)有的銹斑，應(yīng)按照相關(guān)工藝的要求在防腐涂層前進(jìn)行相應(yīng)的除銹處理。

6 鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

近年來(lái)，由于人行鋼結(jié)構(gòu)天橋建設(shè)范圍迅速擴(kuò)大，設(shè)計(jì)人員應(yīng)因地制宜地對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并考慮一些關(guān)鍵點(diǎn)，提升鋼結(jié)構(gòu)人行天橋結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。主要包括以下幾點(diǎn)。

6.1 加強(qiáng)橫向抗傾覆穩(wěn)定設(shè)計(jì)

在實(shí)際設(shè)計(jì)中合理使用鋼結(jié)構(gòu)，可以提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)的質(zhì)量和強(qiáng)度，但在小半徑的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員必須檢查水平傾覆阻力[8]。一些鋼結(jié)構(gòu)橋梁的傾覆通常是由大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁和鋼結(jié)構(gòu)中的承壓范圍引起的。連續(xù)鋼托架的半徑較小，且鋼托架的寬度小于鋼結(jié)構(gòu)橋梁寬度，就會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)橋梁和橋頭的承載能力不均勻。因此，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員必須優(yōu)化計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)橋梁跨度的半徑和寬度，深入分析梁的受力狀態(tài)，達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)橋梁的負(fù)載平衡，避免發(fā)生傾覆。

6.2 焊接結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)

保證鋼結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)穩(wěn)定性的另一個(gè)因素是焊接結(jié)構(gòu)的完整性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，焊接結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承受不同的荷載。焊接接頭易于變形，且具有不完整性。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮焊接結(jié)構(gòu)的通用設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)研究評(píng)估結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和疲勞水平，然后選擇合適的焊接方法，采取相應(yīng)的處理措施保障焊接結(jié)構(gòu)并消除應(yīng)力。設(shè)計(jì)中必須考慮試驗(yàn)結(jié)果，以確保焊接質(zhì)量。

6.3 加勁肋設(shè)置

加勁肋是在支座或有集中荷載處，為保證構(gòu)件局部穩(wěn)定并傳遞集中力所設(shè)置的條狀加強(qiáng)件。加勁肋的設(shè)置是因?yàn)樵袠?gòu)件截面不足，而用來(lái)增強(qiáng)抵抗彎矩和剪力，設(shè)置加勁肋可以縮小原構(gòu)件截面大小，從而降低用鋼量，壓縮成本。所以在工程中，一般將加勁肋設(shè)置在原有構(gòu)件上，起到增強(qiáng)抵抗彎矩和剪力的作用。

6.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

通常，設(shè)計(jì)人員計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載，必須將整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)橋梁劃分為不同的載體單元，使用單個(gè)載體將其劃分為單獨(dú)的載體模式，然后將一定數(shù)量組織成不同的橫截面。輸入原始數(shù)據(jù)和相關(guān)技術(shù)信息[9]。因此，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的計(jì)算通常包括所有技術(shù)信息，如預(yù)應(yīng)力鋼的位置、不同構(gòu)件的特性等。

7 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的繁榮進(jìn)一步推動(dòng)了橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在我國(guó)也得到了廣泛的應(yīng)用。相關(guān)路橋從業(yè)的設(shè)計(jì)人員必須不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證鋼結(jié)構(gòu)橋梁的穩(wěn)定性和整體性得到全面提升。這也需要從整體角度進(jìn)行考慮，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的分析，進(jìn)而保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量得以有效提高。

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