鋁合金天橋設(shè)計控制因素研究

呂 哲

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

鋁合金以其質(zhì)輕、強度高、擠壓成型工藝先進以及耐腐蝕性等諸多優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。近些年，我國多個城市的新建人行天橋項目已將鋁合金材料作為第一選擇。2017 年，《鋁合金人行天橋技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 471—2017）（以下簡稱《技術(shù)規(guī)程》）的發(fā)布，明確了各工況下的荷載組合、行人質(zhì)量對鋁合金人行天橋的影響以及設(shè)計限值等，改變了早年鋁合金人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工中只能借鑒結(jié)構(gòu)及建筑專業(yè)規(guī)范和經(jīng)驗方法的弊端，同時也糾正了一些認識上的誤區(qū)。

1 鋁合金材料的力學特性

《技術(shù)規(guī)程》建議鋁合金人行天橋采用桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)合鋁合金材料的自身特點與桁架結(jié)構(gòu)的受力特性，可分析出鋁合金人行天橋的設(shè)計控制因素。表1 為鋁合金材料6082-T6 與鋼材Q345 的力學性能對比。

由表1 可知：鋁合金材料的彈性模量、剪切模量、密度均約為鋼材的1/3，強度則約為鋼材的3/4[1-2]。早期研究中，一些文獻認為鋁合金人行天橋的控制因素為結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性，強度為次要因素[3-4]。本文將根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》的要求，通過具體工程實例來分析鋁合金人行天橋設(shè)計的關(guān)鍵因素。

表1 6082 鋁合金與Q345 鋼材力學性能對比

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體布置

某新建人行天橋上部結(jié)構(gòu)為鋁合金桁架結(jié)構(gòu)，跨徑為1～33 m，桁架外輪廓高度為4.0 m，采用雙榀桁架體系，橋面凈寬為4.0 m。

主桁架結(jié)構(gòu)由上下主弦桿、腹桿、橫撐桿、斜撐桿等桿件組成，上下弦桿中心距為3.7 m，桁架標準節(jié)段長4.125 m，2 片桁架間距為4.42 m（見圖1～ 圖3），節(jié)間處設(shè)置橫向及斜向連接，以增加橫向剛度。采用板式橡膠支座與下部墩柱連接。

圖1 主桁架結(jié)構(gòu)立面布置圖（單位：mm）

圖2 主橋底平面桿件布置圖（單位：mm）

圖3 主橋斷面（單位：mm）

主橋兩側(cè)梯道凈寬4.8 m，與主橋之間設(shè)置伸縮縫。

2.2 主要桿件截面

本工程桿件主要采用槽形及箱形截面，除需滿足結(jié)構(gòu)受力要求外，尚需滿足《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50429—2007）對長細比的要求。主要桿件截面及特性見表2。

表2 主要桿件截面及特性

2.3 模型建立

主橋結(jié)構(gòu)利用Midas/Civil 建立有限元模型，采用空間桿件體系，將板式橡膠支座模擬為固定端和滑動端，形成簡支結(jié)構(gòu)。橋面鋪裝、欄桿及雨棚等作為荷載加至結(jié)構(gòu)之上。桿件模型見圖4。

圖4 桿件模型

2.3.1 荷載取值

荷載取值見表3。

表3 荷載取值 單位：kP a

2.3.2 荷載組合

基本組合：1.2G恒載＋1.4Q人群+1.05T溫度+1.05Q雪。

撓度：1.0Q人群。

預拱度：1.0 G恒載+1.0 Q人群。

基頻：1.0 G恒載+0.5 Q人群。

2.3.3 計算結(jié)果

（1）讀取基本組合下軸力及彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力最大值（見圖5），由結(jié)果可知，基本組合作用下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為51.5 MPa＜[215 MPa]（《技術(shù)規(guī)程》），即強度驗算滿足設(shè)計要求。

圖5 應(yīng)力計算結(jié)果（單位：MP a）

（2）讀取人群荷載下軸力及彎矩產(chǎn)生的變形最大值，由結(jié)果可知，在人群荷載作用下，天橋的最大位移為17.9 mm（見圖6），小于最大豎向撓度限值l/600=限值55 mm，即變形驗算滿足設(shè)計要求。

圖6 豎向變形計算結(jié)果（單位：mm）

（3）驗算簡支梁自振頻率f1時，采用以下估算公式：

式中：l 為計算跨徑；E 為鋁合金的彈性模量；Ic為截面慣性矩；mc為材料每延米質(zhì)量。

由式（1）可知，當跨徑和截面確定之后，決定結(jié)構(gòu)基頻的是材料本身的彈性模量E 以及材料每延米質(zhì)量mc。由于鋁合金材料的彈性模量和質(zhì)量都約為鋼結(jié)構(gòu)的1/3，所以二者結(jié)構(gòu)基頻相近。

但由于鋁合金材料質(zhì)量輕，受行人影響較大，根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》要求，計算基頻時應(yīng)考慮人群荷載的影響，而對于鋼結(jié)構(gòu)橋梁則無此要求。作為對比，對鋼結(jié)構(gòu)人行天橋同時計入1/2 人群荷載影響。此種情況下，鋁合金人行天橋的基頻銳減為3.6 Hz，已接近3 Hz 的限值，成為結(jié)構(gòu)計算的主控因素（見表4）。

表4 同結(jié)構(gòu)鋁合金橋與鋼橋基頻結(jié)果比較 單位：Hz

（4）由鋁合金人行天橋的穩(wěn)定性驗算結(jié)果可知，其臨界荷載系數(shù)為7.3＞[4]，表現(xiàn)為上弦桿受壓區(qū)的局部失穩(wěn)（見圖7）。

圖7 結(jié)構(gòu)屈曲分析

2.4 節(jié)點連接設(shè)計

根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》要求，本工程采用螺栓來連接鋁合金受力構(gòu)件的主要受力節(jié)點。

本工程節(jié)點螺栓承受剪力，需驗算螺栓的抗剪及承壓能力。

本座人行天橋內(nèi)力控制桿件為天橋兩端第1 根斜腹桿，桿件軸力約為420 kN（見圖8）。

圖8 軸力值結(jié)果（單位：kN）

節(jié)點處采用6 枚M16 不銹鋼螺栓連接，每個螺栓有2 個剪切面，壁厚t 為15 mm（見圖9、圖10）。

圖9 節(jié)點立面（單位：mm）

圖10 節(jié)點平面（單位：mm）

綜上可知：某鋁合金人行天橋主橋的強度、剛度、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)基頻及節(jié)點連接設(shè)計均滿足《技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。

3 結(jié)語

（1）鋁合金人行天橋具有良好的跨越能力，可以適應(yīng)跨越較寬道路的功能需求。

（2）桁架鋁合金天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)基頻而非撓度。

（3）如果結(jié)構(gòu)主要為受彎構(gòu)件，如梯道采用縱橫梁體系，則鋁合金天橋的設(shè)計控制因素首要應(yīng)為變形。

（4）建議根據(jù)具體項目的人群流量實測資料，按實測結(jié)果記入人群對鋁合金人行天橋的影響。

（5）根據(jù)計算，鋁合金桁架人行天橋的矢跨比約為1∶10。

（6）對鋁合金材料特性及對橋梁設(shè)計中關(guān)鍵因素的把控，將提升鋁合金材料的使用效率，降低建造成本。