鋁合金天橋抗風設(shè)計研究

羅沐鑫

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510110)

0 引言

目前人行天橋的設(shè)計普遍采用鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)，其中鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性較差，后期維護成本較高；而混凝土結(jié)構(gòu)體型笨重，施工工期長，施工時常采用支架施工，影響交通。針對這些問題，提出采用鋁合金材料來建造人行天橋，鋁合金表面有一層致密的氧化膜，耐腐蝕性強，并且質(zhì)量較輕，便于吊裝，各桿件拼裝后可運輸至現(xiàn)場吊裝施工，大大縮短了施工工期，減少了施工對城市交通的不利影響。對于工期緊張、馬上要實施的項目工程來說，鋁合金天橋的優(yōu)勢越來越明顯，工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝、對地基要求不高，從設(shè)計到施工的時間大大縮短，使它在建筑工程中得到了越來越多的推廣應(yīng)用，鋁合金橋、鋁合金穹頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)亦成為近年來結(jié)構(gòu)設(shè)計的熱點。本文針對鋁合金天橋與鋼結(jié)構(gòu)橋梁和混凝土橋梁的異同，提出了鋁合金天橋應(yīng)該更加注重橋梁的抗風設(shè)計，對實際工程中鋁合金材料運用到橋梁上的抗風設(shè)計作詳細介紹，供廣大從業(yè)者參考。

1 風荷載計算的相關(guān)規(guī)定

我國沿海城市的基本風壓明顯大于內(nèi)陸，而沿海城市對橋梁的耐腐蝕性提出更高的要求，鋁合金天橋的耐腐蝕特性能夠很好地滿足沿海城市耐腐蝕的要求，同時對抗風性能的要求更高。

根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）規(guī)定：主桁架構(gòu)造的橫向風力（橫橋方向）為橫向風壓乘以迎風面積；天橋主桁架構(gòu)造的縱向風力（順橋方向）按橫向風壓的40%乘以桁架的迎風面積計算[1]。設(shè)計時一般根據(jù)當?shù)?0m 平均的年最大風速來作為設(shè)計基本風速，這里涉及到一個橋梁荷載重現(xiàn)期取值的問題。根據(jù)《鋁合金人行天橋技術(shù)規(guī)程》T/CECS471-2017 規(guī)定，鋁合金橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準期應(yīng)為50 年，設(shè)計使用年限為50 年[2]。而根據(jù)《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》CJJ11-2011(2019)的強制性條文規(guī)定，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準期應(yīng)為100 年[3]。兩項規(guī)范要求不相同，由于鋁合金天橋?qū)︼L荷載的響應(yīng)較為明顯，風荷載重現(xiàn)期的取值建議按照100 年來計算。確定好基本風壓，計算出鋁合金天橋縱橋向和橫橋向的施加壓力后，可根據(jù)風的不同作用位置取最不利加載，根據(jù)跟恒荷載的組合分析，驗算支座會不會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。如果出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，會出現(xiàn)落梁的風險，所以應(yīng)考慮采取相應(yīng)的抗風措施。

2 鋁合金天橋設(shè)計中常用抗風措施

現(xiàn)有的鋁合金天橋多梁式結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)僅通過支座相連接，在風荷載較大的情況下，由于上部結(jié)構(gòu)為質(zhì)量較輕的鋁合金材料，可能發(fā)生整體傾倒的危險。鋁合金天橋自重輕是其優(yōu)勢所在，但是在重量較輕的情況下，風荷載作用的影響被放大，容易發(fā)生落梁事件。下面介紹幾種常見的抗風措施。

2.1 用板式橡膠支座，上下鋼板增加螺栓連接

鋁合金天橋由于自重較輕，往往支座的反力并不大，因此選用板式橡膠支座較為常見。板式橡膠支座對鋁合金天橋的抗風作用僅為根據(jù)上部的重力按摩擦力抵抗風荷載水平方向的分力，而沒有辦法抵抗支座脫空。針對這種情況，設(shè)計采用螺栓連接支座的上下鋼板，同時開縱向橋的長圓孔，保證橋梁可以縱向溫度伸縮。如圖1 所示，螺栓通過螺母擰緊，有了抵抗豎向反力的作用，且在側(cè)向抵抗橫向風荷載的作用，通過計算，選用合適的螺栓大小，可以很好地抵抗風荷載，防止橋梁移位及支座脫空帶來的影響。這種方式適用廣泛，制作簡單，且造價低廉，通過小小的改進便可以達到很好的抗風效果，值得借鑒推廣。

圖1 板式橡膠支座上下鋼板連接示意圖

2.2 選用盆式或球式橡膠支座

對于較大跨徑的鋁合金天橋，主橋往往采用盆式或球式橡膠支座，而盆式或球式橡膠支座本身具有一定的抗側(cè)移剛度，如圖2 所示，以球式橡膠支座為例簡要介紹：球式橡膠支座包含不銹鋼板、下支座板、球冠襯板、聚四氟乙烯滑板等結(jié)構(gòu)組成，當采用固定支座時，承受的水平力為標準支座反力的10%，設(shè)計中可根據(jù)計算出的風荷載水平力來選用合適的球式橡膠支座，使抵抗水平力大于風荷載要求的水平力，即可滿足設(shè)計要求。這種方式簡單便捷，可快速選擇合適的支座，造價對比板式橡膠支座稍高，但是對于整個橋的造價占比較低，是大跨度鋁合金橋梁合適的選擇方向。

圖2 球式橡膠支座示意圖

2.3 增加抗風裝置

上面介紹的兩種抗風措施均在支座上面去考慮，除了在支座上面考慮，還可以考慮采用抗風裝置，可以直接采用或者作為安全儲備。下面介紹一種鋁合金天橋防風抗震消能裝置，如圖3 所示。鋁合金天橋防風抗震消能裝置，在正常情況下，連接板與第一固定板和第二固定板之間是被第一螺栓鎖緊固定不動的，因此能夠?qū)ι喜拷Y(jié)構(gòu)起到支撐作用，限制上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間的橫向位移，從而可以抵抗橋梁受到的橫向風荷載，避免了上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體傾倒的情況。

圖3 抗風裝置示意圖

考慮到鋁合金桁架在溫度的作用下會發(fā)生一定程度的伸縮，因此本裝置在第一固定板與上部結(jié)構(gòu)連接的一端設(shè)置長圓孔，并配合螺栓把第一固定板固定連接在上部結(jié)構(gòu)，能夠保證上部結(jié)構(gòu)在縱橋方向上能有溫度變形的空間。

這種抗風裝置可以根據(jù)需要的抵抗力進行設(shè)計，板件厚度、是否加加勁肋和螺栓大小等均可按實際情況進行調(diào)整，能滿足各種跨度鋁合金橋梁的抗風需求。特別是在類似輕質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)中，如果有抗風需求均可采用，且這種抗風裝置占用位置小，造價低，施工方便。

3 計算軟件的介紹

目前橋梁設(shè)計計算軟件大多采用Midas Civil 進行計算，而該軟件并無專門的鋁合金材料數(shù)據(jù)及驗算規(guī)范，若采用Midas Civil 進行計算需要注意自定義材料屬性，根據(jù)鋁合金材料的彈性模量、泊松比、剪切模量、容重及線膨脹系數(shù)進行定義，方能準確地算出桿件的內(nèi)力及變形。而對于風荷載的施加只能采用施加節(jié)點力或均布荷載的方式添加，需要自己判斷最不利的位置進行施加?，F(xiàn)介紹另一款軟件3D3S 空間結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件,是同濟大學獨立開發(fā)的CAD 軟件系列,3D3S 可以按照輸入的風壓及風荷載的高度水平，來自動計算最不利的加載方式，且軟件里面有完整的鋁合金材料及規(guī)范驗算，計算結(jié)果較為良好。由于鋁合金天橋的應(yīng)用案例并不太多，建議設(shè)計人員采用兩款軟件相互校核計算結(jié)果。

另外值得注意的是當采用板式橡膠支座時，計算模型支座模擬應(yīng)該輸入支座的側(cè)向剛度，因為實際工程中，板式橡膠支座多采用同樣的固定支座規(guī)格，不會特別采用滑動支座，因此水平力不會完全傳遞到某個支座承擔，而是由每個支座的剛度來進行分配，所以根據(jù)所選的支座計算出支座的側(cè)向剛度，輸入模型里，再進行風荷載的水平抗力分析，會得到較為符合實際情況的結(jié)果。而支座的剛度計算可參考《公路橋梁抗震設(shè)計細則》JTGTB02-01-2008 中6.3.7 關(guān)于板式橡膠支座剪切剛度的計算公式進行計算[4]。

4 結(jié)束語

針對鋁合金材料本身質(zhì)量較輕，抵抗風荷載的能力較弱這一特點，本著避免鋁合金天橋在風荷載作用下發(fā)生上部結(jié)構(gòu)的整體傾倒，介紹了設(shè)計中可以采用的三種抗風措施。第一種板式橡膠支座通過上下鋼板增加螺栓連接方式，適用廣泛，制作簡單，且造價低廉，通過小小的改進便可以達到很好的抗風效果；第二種利用盆式或球式橡膠支座本身抵抗橫向力較大的特點，適用于較大跨徑鋁合金天橋；第三種增加抗風裝置，可以根據(jù)需要的抵抗力進行設(shè)計，板件厚度、是否加加勁肋和螺栓大小等均可按實際情況進行調(diào)整，能滿足各種跨度鋁合金橋梁的抗風需求。最后介紹了兩種常用的結(jié)構(gòu)計算軟件，分析了兩種軟件的特點及運用到鋁合金天橋計算時的注意要點，特別提出了支座水平剛度的輸入對風荷載水平抵抗力的計算有著關(guān)鍵的作用。