某鋼桁架人行天橋設(shè)計(jì)

0 引言

人行天橋是作為確保城市交通暢通有效，避免或緩解人、車爭(zhēng)道的問題的重要交通設(shè)施之一，同時(shí)，人行天橋也是一個(gè)城市的形象，一個(gè)好的天橋設(shè)計(jì)，也可起到提升城市美觀的作用，甚至成為地標(biāo)性建筑。隨著我國城市交通的不斷發(fā)展，道路的寬度不斷增加，天橋的跨度越來越大，景觀要求也越來越高。以往傳統(tǒng)梁式結(jié)構(gòu)的人行天橋建設(shè)不僅需要消耗較多的建設(shè)資源，施工周期長，而且人行天橋建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和安全性還需要進(jìn)一步提升。鋼桁架人行天橋由于跨越能力大，梁高小，易于行人上下，安裝方便，近年來被各地廣泛采用。下面筆者結(jié)合某一市政鋼桁架人行天橋設(shè)計(jì)過程，希望可以對(duì)設(shè)計(jì)人員在對(duì)該類人行天橋設(shè)計(jì)時(shí)提供一定的參考作用。

1 工程概況

本項(xiàng)目天橋主橋與某互通主線橋、輔道橋平行布置，天橋跨越現(xiàn)狀道路、城軌及互通匝道。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，其中現(xiàn)狀路是城市主干路、雙向六車道、車道寬度23.5m、橋下行車凈空不宜小于5.5m；城軌寬25m，埋深約25m，與互通主線橋交角為88°，根據(jù)城軌相關(guān)部門回函，城軌結(jié)構(gòu)外邊線水平保護(hù)凈距不應(yīng)小于10m，保護(hù)范圍內(nèi)不宜設(shè)置樁基。

互通主線橋、輔道橋和匝道。其中主線橋、兩側(cè)輔道橋的主跨均采用（40+65+40）m連續(xù)鋼箱梁跨越現(xiàn)狀道路及城軌。

橋梁在進(jìn)行橋型方案構(gòu)思時(shí)，著重考慮了橋型方案應(yīng)滿足總體美觀，施工方便快捷，技術(shù)工藝成熟，確保工期與質(zhì)量；結(jié)構(gòu)受力明確，耐久實(shí)用，后期養(yǎng)護(hù)低廉容易，總體布置及結(jié)構(gòu)跨徑與跨越現(xiàn)狀地理?xiàng)l件相適應(yīng)，并與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)等要求。綜合考慮以上要求，人行天橋主橋擬采用1×60m鋼桁架結(jié)構(gòu)跨越現(xiàn)狀道路及城軌，梯道采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板梁，橋型布置如圖1所示。

圖1 人行天橋橋型立面圖

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上部結(jié)構(gòu)

①天橋主橋總寬5.5m，人行道凈寬3.0m，主橋采用簡(jiǎn)支鋼桁架結(jié)構(gòu)，跨徑組合為：1×60m，結(jié)構(gòu)總高為2.5m~5.0m。鋼桁架上弦桿采用500mm×400mm×16mm（高×寬×厚）矩形鋼管，鋼桁架下弦桿采用500mm×500mm×16mm（高×寬×厚）矩形鋼管，腹桿采用500mm×300mm×14mm的焊接矩形截面，上橫撐采用200mm×200mm×14mm的矩形鋼管，下橫梁采用200mm×200mm×14mm的矩形鋼管，材質(zhì)均為Q355C。

②梯道總寬4.5m，人行道凈寬4.2m（含0.6m自行車推車道），兩側(cè)梯道均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梯道梁高0.5m，梯道寬4.5m，坡度為1:4，每梯階間設(shè)置2m寬的緩步平臺(tái)。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)均采用鋼筋混凝土材料，樓梯及墩柱采用C40混凝土，樁基礎(chǔ)采用C30水下混凝土。

①主橋橋墩采用花瓶墩結(jié)構(gòu)，主橋橋墩厚1.3m，底部寬1.8m，承臺(tái)尺寸6.25m×2.5m×2.4m，承臺(tái)下設(shè)置2根樁徑1.5m的鉆孔灌注樁，樁基類型暫定為嵌巖樁。

②梯道橋采用樁柱式結(jié)構(gòu)，樁基采用樁徑1.0m鉆孔灌注樁，橋墩采用0.8m圓柱形，墩柱直接與樁基連接，不設(shè)置承臺(tái)，樁基類型暫定為嵌巖樁。

2.3 橋面系

主橋橋面通過6mmQ235C波形鋼板與橫梁焊接形成，波形鋼板上鋪2~3.5cm厚水泥砂漿層+2cm防滑磚鋪裝；梯道采用3cm厚水泥砂漿層+2cm防滑磚鋪裝。

3 橋梁主要結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析

3.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

①主橋?qū)挾龋?.6m（花槽）+0.5m桁架弦桿+0.15m（護(hù)欄）+3.0（人行道）+0.15m（護(hù)欄）+0.5m桁架弦桿+0.6m（花槽）＝5.5m；

②橋梁安全等級(jí)：一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1；

③橋下凈空：不小于5.5m；

④地震烈度：設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，地震基本烈度為6度，按7度構(gòu)造設(shè)防；

⑤風(fēng)荷載：主桁架構(gòu)造的橫向風(fēng)力（橫橋方向）為橫向風(fēng)壓乘以迎風(fēng)面積；天橋主桁架構(gòu)造的縱向風(fēng)力（順橋方向）按橫向風(fēng)壓的40%乘以桁架的迎風(fēng)面積計(jì)算；

⑥剛度要求：為了確保鋼桁架人行天橋的上部結(jié)構(gòu)的安全性能，在人群活載作用下最大容許豎向撓度，桁架，拱不應(yīng)超過L/800；

⑦基頻要求：為避免共振，減少行人不安全感，規(guī)范規(guī)定天橋上部結(jié)構(gòu)豎向基頻應(yīng)大于3Hz。

3.2 材料特性

人行天橋主橋鋼桁架采用Q355C，橋面板采用Q235C，由《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）查得鋼材主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 鋼桁架的主要材料及材料性能表

3.3 主橋桁架梁驗(yàn)算

3.3.1 主要參數(shù)輸入

①自重。

按實(shí)際截面輸入，自重系數(shù)取-1.081，程序自動(dòng)計(jì)算，橫隔板、橫梁采用荷載加載。

②人群荷載。

人群荷載值按《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95）3.1.3條執(zhí)行；天橋人群荷載局部加載時(shí)取5 kPa或1.5kN，整體計(jì)算時(shí)?。?/p>

W=（5-2×（60-20）÷80）×（20-1.5）/20=3.7kPa，綜合考慮取4.0kPa。

③二期恒載。

橋面鋪裝層+欄桿=17.49kN/m，換算到3.3m寬橋面板壓應(yīng)力P=5.300kPa；花槽鋼板、鋁塑板和花槽土體荷載（單側(cè)按照5kN/m）=10.25kN/m，加載到3.3m寬橋面板上P=3.105kPa。

④溫度荷載。

溫度荷載考慮整體均勻升降溫：±25°。

⑤溫度梯度。

日照溫差的影響按《公路橋涵通用規(guī)范》考慮，正溫度梯度下T1=25℃，T2=6.7℃；負(fù)溫度梯度下T1=-12.5℃，T2=-3.35℃。t為100mm。

⑥支座沉降。

墩柱按每軸10mm考慮。

⑦基本風(fēng)壓。

依據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的規(guī)程（DBJ15-92-2013）附表B，該市基本風(fēng)壓800Pa，擬定W0=800Pa。

3.3.2 結(jié)構(gòu)模型

圖2 civil有限元模型

3.3.3 強(qiáng)度驗(yàn)算

靜力分析采用的荷載組合為自重（鋼桁架）+二期恒載（包含橋面鋪裝、欄桿及花槽）+人群荷載。結(jié)構(gòu)在荷載組合作用下，各桿件的組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下：

①上弦桿。

上弦桿組合正應(yīng)力中最大拉應(yīng)力位于端橫梁處，拉應(yīng)力為12.0MPa，最大壓應(yīng)力位于跨中位置，壓應(yīng)力為98.8MPa，小于容許值270MPa，滿足規(guī)范要求。

②下弦桿。

下弦桿組合正應(yīng)力最大拉應(yīng)力位于桁架跨中位置，拉應(yīng)力為76.5MPa，小于容許值270MPa，滿足規(guī)范要求。

③腹桿計(jì)算。

一只不認(rèn)識(shí)的黑色小蟲撞到蛛網(wǎng)上，被粘住了。木盆撿了根小樹枝，挑破蛛網(wǎng)，把蟲子身上的蛛網(wǎng)拈掉，它扇動(dòng)翅膀，飛走了。

腹桿組合正應(yīng)力中最大拉應(yīng)力位于端橫梁處第二組腹桿，拉應(yīng)力為48.70MPa，最大壓應(yīng)力端橫梁處第二組腹桿處，壓應(yīng)力為56.13MPa，小于容許值270MPa，滿足規(guī)范要求。

④橫撐及橫梁。

橫撐及橫梁組合正應(yīng)力中最大拉應(yīng)力為54.8MPa，最大壓應(yīng)力為56.4MPa，小于容許值270MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3.4 剛度驗(yàn)算

①撓度驗(yàn)算。

人群荷載作用下，桁架最大豎向位移值為19.28mm，符合限值L/800=75mm的要求。結(jié)構(gòu)恒載和人群荷載組合作用下，桁架最大豎向位移值為70.67mm，不滿足限制L/1600=37.5mm的要求，需要設(shè)置預(yù)拱度。

②基頻要求。

僅在結(jié)構(gòu)自重作用下，鋼桁架的一階豎向頻率為3.696Hz，二階豎向頻率為11.558Hz，大于容許值3Hz，滿足規(guī)范要求。

3.3.5 抗風(fēng)驗(yàn)算

①橫向風(fēng)力。

基本風(fēng)壓為800Pa，根據(jù)公式W=K1·K2·K3·K4·W0，上弦桿風(fēng)荷載為0.283kN/m，下弦桿風(fēng)荷載為0.354kN/m，腹桿風(fēng)荷載為0.212kN/m，以單元荷載加載在模型上。在風(fēng)荷載作用下，計(jì)算單個(gè)橫向支座反力最大值為79.6kN，在恒載作用下，單個(gè)支座豎向支反力為622.9kN，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）支座與鋼板接觸的摩擦系數(shù)為0.2，橫向抗力為Fh=0.2*622.9=124.58kN，安全系數(shù)的為1.565，安全儲(chǔ)備較大。

②縱向風(fēng)力。

縱橋向風(fēng)荷載基本風(fēng)壓為橫向基本風(fēng)壓的40%，則基本風(fēng)壓W=800×0.4=320Pa，縱橋向支反力為211kN，剪應(yīng)力為211*10（150*3240）=0.434MPa＜2.6MPa（C40混凝土限位擋塊），滿足要求。

3.3.6 穩(wěn)定驗(yàn)算

①整體穩(wěn)定性。

整體穩(wěn)定性采用Midas civil有限元軟件進(jìn)行主橋彈性屈曲分析，將自重和二期恒載作為不變荷載，將人群荷載、整體升溫/降溫作為可變荷載，計(jì)算得到第一階對(duì)稱側(cè)傾失穩(wěn)對(duì)應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)為34.2，一般而言，對(duì)于該類橋，彈性屈曲分析在恒載作為不變荷載施加，人群荷載、整體升溫/降溫作為可變荷載施加后，且穩(wěn)定系數(shù)超過5，橋梁在實(shí)際狀況下，設(shè)計(jì)荷載內(nèi)不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)。

②局部穩(wěn)定性。

桿件穩(wěn)定即為局部穩(wěn)定性，本次設(shè)計(jì)通過構(gòu)造上控制受壓桿件長細(xì)比不大于15，腹桿桿件長細(xì)比為25.1，桿件穩(wěn)定系數(shù)為0.983，對(duì)桿件穩(wěn)定應(yīng)力影響極小，桿件應(yīng)力的安全儲(chǔ)備遠(yuǎn)大于1/0.983。

3.3.7 橋面板驗(yàn)算

橋面板采用6mm厚U型鋼板，最大跨度為1.5m。承載能力極限組合下，其中天橋人群荷載局部加載時(shí)取5.0kPa，考慮二期恒載，橋面板有效應(yīng)力為64.3MPa，小于鋼材Q235C設(shè)計(jì)值190MPa；剪應(yīng)力34.7MPa，遠(yuǎn)小于鋼材Q235C設(shè)計(jì)值110MPa。

3.4 橋梁主要結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析結(jié)論

從受力分析結(jié)果顯示，桁架梁在施工階段、成橋階段、使用階段、剛度驗(yàn)算、抗風(fēng)驗(yàn)算及穩(wěn)定性驗(yàn)算等結(jié)果均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 施工方法

為加快施工進(jìn)度和保證鋼結(jié)構(gòu)施工焊接質(zhì)量，所有受力桿件在工廠切割下料焊接。為防止運(yùn)輸過程受道路空間限制，先在工廠進(jìn)行構(gòu)架試拼后再焊接上下弦桿及腹桿至半成品，運(yùn)輸半成品鋼桁架及鋼橫梁至施工現(xiàn)場(chǎng)；搭設(shè)臨時(shí)支架，吊裝桁架就位后再焊接桁架成整體；最后施工橋面板、鋪裝、欄桿、花槽，外表面涂裝等。

5 結(jié)語

鋼桁架結(jié)構(gòu)相比于其他結(jié)構(gòu)類型在城市天橋的應(yīng)用上有明顯優(yōu)勢(shì)：①鋼桁架梁高低，本工程跨徑60m梁高為50cm，同等跨徑鋼箱梁梁高約為270cm，梁高僅為鋼箱梁1/5，對(duì)于梁底凈空受限的城市天橋適用性強(qiáng)。②跨越能力強(qiáng)，桁架結(jié)構(gòu)對(duì)于40～60m跨徑天橋，剛度及基頻均能滿足規(guī)范要求，鋼箱梁及現(xiàn)澆箱梁一般只適用于跨徑40m以下，40m以上箱梁為使剛度及基頻滿足規(guī)范要求，需要通過增加梁高等措施，從而增加工程造價(jià)，一般不建議采用。③現(xiàn)場(chǎng)施工周期短，對(duì)現(xiàn)狀交通影響小，鋼桁架現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)支架吊裝焊接主梁，一般需要一到兩周時(shí)間，相比于現(xiàn)澆箱梁施工3～6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)施工周期大為減少。綜上所述，對(duì)于用地受限，跨越能力要求較大人行天橋建議采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。

本文結(jié)合某人行天橋工程特點(diǎn)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，對(duì)鋼桁架人行天橋進(jìn)行總結(jié)設(shè)計(jì)，提出其采用的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施及施工方法。同時(shí)對(duì)該鋼桁架人行天橋主橋進(jìn)行計(jì)算分析研究，計(jì)算分析表明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全滿足規(guī)范要求，可為同類人行天橋的設(shè)計(jì)提供參考案例。