鐘燕路過街人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蔣劍峰，黃 瀟

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

1 工程概況

南京市燕子磯新城棗林(鐘化片區(qū))中學(xué)部和小學(xué)部分居鐘燕路兩側(cè)。為了便于校園內(nèi)交通流線的組織，減小對主干道交通的影響，保護(hù)師生安全，需建設(shè)人行天橋?qū)⒌缆穬蓚?cè)的校園連通。根據(jù)已有中小學(xué)的建筑功能布局，天橋的平面布置原則如下：利用校園公共空間進(jìn)行連接，避免對教室區(qū)域造成影響，避免對城市道路及校內(nèi)消防車道凈高造成影響。

天橋的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 天橋主要技術(shù)指標(biāo)

架設(shè)過街人行天橋需滿足的相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)主要有：《城市道路工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51286—2018)第3.1.5-2條，機(jī)動(dòng)車道需滿足凈高大于4.5 m；《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范(2018版)》(GB 50016—2014)第7.1.8條，消防車道應(yīng)滿足車道的凈寬度和凈空高度均不小于4 m。

2 結(jié)構(gòu)方案比選

根據(jù)天橋的技術(shù)指標(biāo)，可供選擇的結(jié)構(gòu)方案有鋼結(jié)構(gòu)方案和混凝土方案。通過建模計(jì)算及分析比選，兩方案的優(yōu)劣及經(jīng)濟(jì)性比較見表2。

表2 結(jié)構(gòu)方案比選

考慮到梁下凈高及施工便利的重要性，選擇鋼結(jié)構(gòu)方案作為實(shí)施方案。

3 人行天橋柱墩位置的優(yōu)選

天橋總長約35 m，橋頭兩側(cè)均是已有建筑物。擬采用墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)方案，柱墩位置的選擇顯得非常重要。設(shè)計(jì)通過將柱墩適當(dāng)內(nèi)收，增設(shè)兩端懸挑，既可以減小主跨跨度，懸挑段彎矩可適度平衡主跨彎矩，控制跨中撓度并減小柱端彎矩，又可以使柱墩避開已有建筑，便于柱墩基礎(chǔ)的施工，同時(shí)可以滿足建筑對天橋輕巧飄逸的要求。表3比較了天橋兩端不同懸挑跨度時(shí)，結(jié)構(gòu)主要受力指標(biāo)。

表3 不同柱墩位置結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果

從表3可以看到，懸挑跨度從L/12增加到L/4時(shí)，可以有效減小跨內(nèi)彎矩和跨中撓度，提高橋梁的豎向自振頻率，改善人行舒適度。但當(dāng)柱墩設(shè)置在L/4跨度處時(shí)，最大撓度出現(xiàn)在懸挑段端部。

綜合考慮結(jié)構(gòu)受力的合理性和柱墩內(nèi)外車道通行寬度的要求，最終將柱墩設(shè)置在跨度1/6處。此時(shí)主梁支點(diǎn)彎矩和跨中彎矩比較接近，可以充分發(fā)揮鋼材拉壓強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)撓度和豎向振動(dòng)均滿足規(guī)范限值的要求。上部結(jié)構(gòu)跨內(nèi)主梁H1100×400×16×25，懸挑段主梁H800×400×16×25，次梁H500×200×10×16，橋面采用壓型鋼板組合板(YXB66-166-500(B)型)，厚度120 mm。下部結(jié)構(gòu)采用墩梁固結(jié)，鋼管柱截面A800×20，下接條形基礎(chǔ)。

4 天橋人行舒適度分析的討論

當(dāng)自振頻率與人的步行頻率(1.5～2.5 Hz)接近時(shí)，人在結(jié)構(gòu)上的運(yùn)動(dòng)可能引起結(jié)構(gòu)共振[1]。此時(shí)，橋面過大的豎向振動(dòng)輕則引起使用者恐慌和心理不安，重則造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用性能。因此，對于大輕柔、阻尼較小的結(jié)構(gòu)，振動(dòng)引起的舒適度問題成為強(qiáng)度和撓度變形要求之外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要的控制因素之一[2]。目前，被人們廣泛采用的舒適度控制評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要有頻率限值和加速度限值兩種(見表4)。

表4 大跨度結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)舒適度規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)分類

頻率限值方面的標(biāo)準(zhǔn)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)[3]規(guī)定組合樓板的自振頻率不得小于15 Hz；《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[4]規(guī)定：對于鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合樓蓋結(jié)構(gòu)豎向頻率不宜小于3 Hz。在道路橋梁方面，《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—95)[5]規(guī)定：為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz?！兜聡诵袠蛟O(shè)計(jì)指南》規(guī)定當(dāng)人行橋在行人荷載激勵(lì)下的固有頻率fi的臨界范圍豎向和縱向振動(dòng)1.25 Hz≤fi≤2.3 Hz，橫向振動(dòng)0.5 Hz≤fi≤1.2 Hz[6]。

加速度限值方面的標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[4]規(guī)定：一般住宅、辦公、商業(yè)建筑樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向頻率小于3 Hz時(shí)，需驗(yàn)證豎向振動(dòng)加速度。豎向振動(dòng)加速度峰值不應(yīng)超過表5的限值。世界標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)對于樓板豎向振動(dòng)峰值加速度給出的倍數(shù)數(shù)量級基準(zhǔn)曲線如圖1所示。不同環(huán)境下樓板豎向振動(dòng)的臨界加速度可以參考此曲線并乘以一個(gè)合適的倍數(shù)。實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用這些曲線時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間以及與震源的距離，在此基礎(chǔ)上乘以0.8～1.5的系數(shù)[7]。

表5 樓蓋豎向振動(dòng)加速度限值

圖1 國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ISO標(biāo)準(zhǔn))

本橋一階自振頻率為2.86，陣型為豎向?qū)ΨQ振動(dòng)，不滿足《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》中對自振頻率的要求，但是避開了《德國人行橋設(shè)計(jì)指南》中行人荷載豎向振動(dòng)的敏感頻率。本橋處于校園環(huán)境中，大量學(xué)生通過天橋穿梭園區(qū)，天橋的舒適度問題非常重要。通過采用midas Gen 2020進(jìn)行天橋的舒適度分析，人行激勵(lì)采用連續(xù)步行時(shí)程函數(shù)(見圖2)，動(dòng)力荷載施加作用點(diǎn)分別為跨中撓度最大處和懸挑端部，加速度時(shí)程曲線如圖3、圖4所示，當(dāng)行人在跨中連續(xù)行走時(shí)，跨中最大加速度為0.12 m/s2，懸臂端最大加速度為0.1 m/s2；當(dāng)行人在懸挑端部連續(xù)行走時(shí)，跨中最大加速度為0.03 m/s2，懸臂端最大加速度為0.14 m/s2；可見加速度限值滿足上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的舒適度要求。

圖2 連續(xù)行走荷載時(shí)程曲線

圖3 行人在跨中連續(xù)行走時(shí)加速度時(shí)程曲線

圖4 行人在懸挑端部連續(xù)行走時(shí)加速度時(shí)程曲線

5 天橋基礎(chǔ)及連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

天橋基礎(chǔ)采用雙柱下的聯(lián)合條形基礎(chǔ)，以粉質(zhì)黏土層為基底持力層，地基承載力特征值220 kPa，局部持力層較深處超挖至下方持力層，采用C20素混凝土回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高。基礎(chǔ)頂面至室外地面高差約3.0 m，柱底采用外包式剛接柱腳。鋼管柱與H鋼梁采用外加勁環(huán)連接方式剛接，懸挑段設(shè)置高度過渡段。

6 結(jié)束語

隨著城市建設(shè)的大力發(fā)展，建筑與建筑之間越來越多采用連廊連接。這種連廊歸屬于建筑連廊還是人行天橋，是值得探討的問題。一般來說，建筑連廊如果是建筑工程范疇內(nèi)，習(xí)慣采用建筑規(guī)范；如果是人行天橋范疇，會(huì)習(xí)慣采用天橋規(guī)范。從前文中可以看出，兩類規(guī)范對某些指標(biāo)的限制也不盡相同，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的靈活判斷、因地制宜。

通過介紹一座人行天橋結(jié)構(gòu)(建筑連廊)的方案比選、橋墩位置優(yōu)選、人行舒適度分析及相關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，以期為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。該人行天橋已于2020年11月建成投入使用，達(dá)到了預(yù)期的效果。