鋼結(jié)構(gòu)人行橋梁的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算

黃 杰 張 強(qiáng)

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)由于具有自重相對(duì)較小,工廠可分段預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝的施工工藝對(duì)環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn),在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。但是鋼結(jié)構(gòu)橋梁普遍存在自振頻率難以滿(mǎn)足規(guī)范要求的情況，設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果通過(guò)不斷提高梁高或加大鋼板厚度進(jìn)行改變，不僅視覺(jué)效果方面不能滿(mǎn)足要求，而且容易造成材料浪費(fèi)。進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用有限元數(shù)值模擬軟件，根據(jù)不同梁體高度、不同結(jié)構(gòu)形式多次建立有限元模型，進(jìn)行計(jì)算比選，最終確定墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，以最經(jīng)濟(jì)的方式減少梁高，提高橋梁自振頻率?；诖?，結(jié)合無(wú)錫市濱湖區(qū)某人行橋設(shè)計(jì)項(xiàng)目，開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算，以期設(shè)計(jì)出輕便實(shí)用、結(jié)構(gòu)美觀、施工簡(jiǎn)單，并且自振頻率滿(mǎn)足規(guī)范要求的鋼結(jié)構(gòu)人行橋。

1 工程概況與總體設(shè)計(jì)方案

1.1 工程概況

某橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目位于無(wú)錫市濱湖區(qū)華清大道東側(cè)、吳都路北側(cè)、和暢路南側(cè)。項(xiàng)目所在地塊北側(cè)入口處需規(guī)劃建設(shè)售樓處及周邊景觀帶，但需跨越秀水河與北側(cè)和暢路連接，需設(shè)計(jì)一座橋梁橫跨秀水河。

擬建場(chǎng)地地貌屬長(zhǎng)江三角洲沖、湖積平原。項(xiàng)目所在地地質(zhì)情況如下：

（1）擬建場(chǎng)地區(qū)域地質(zhì)條件穩(wěn)定，無(wú)滑坡等不良地質(zhì)作用和洪澇等地質(zhì)災(zāi)害存在；

（2）建筑的場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，擬建場(chǎng)地填埋河塘部位為對(duì)建筑抗震不利地段，其它部位為對(duì)建筑抗震一般地段；

（3）抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)特征周期值為0.45s；

（4）地層土體分布較穩(wěn)定，土層以粉質(zhì)黏土為主，地基承載力介于120～200MPa之間。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)狀秀水河橋梁方向河道寬度30m。結(jié)合當(dāng)?shù)睾拥拦芾聿块T(mén)的要求，不得在河道中間打樁且不得破壞兩側(cè)河道擋墻。故采用單跨橋直接跨越秀水河且需預(yù)留足夠安全距離避讓兩側(cè)河道擋墻，確定橋梁凈跨徑為39m。按整體景觀設(shè)計(jì)要求，梁體需輕盈單薄，且單側(cè)設(shè)置流水幕墻，增加景觀效果。

橋梁結(jié)構(gòu)形式可采用簡(jiǎn)支或固結(jié)鋼箱梁。經(jīng)多次有限元模型計(jì)算比選，主要控制變量為豎彎基頻：簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)1.2m高度鋼箱梁結(jié)構(gòu)豎彎基頻為2.53Hz；簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)1.5m高度鋼箱梁結(jié)構(gòu)豎彎基頻為3.13Hz；固結(jié)結(jié)構(gòu)1.2m高度鋼箱梁結(jié)構(gòu)豎彎基頻為3.45Hz；三種高度及結(jié)構(gòu)形式強(qiáng)度、應(yīng)力、穩(wěn)定性驗(yàn)算均滿(mǎn)足規(guī)范要求。在綜合考慮景觀、造價(jià)、安全、舒適等諸多因素的情況下，最終確定橋梁結(jié)構(gòu)形式為凈跨徑39m固結(jié)鋼箱梁，梁高1.2m。

2 橋梁結(jié)構(gòu)與施工步驟設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)荷載：按《城市人行天橋和人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-95）要求執(zhí)行,人群荷載4.2kN/m2；橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0；橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年；橋梁設(shè)計(jì)使用年限為50年；抗震要求：地震動(dòng)峰值加速度0.10g，地震基本烈度7度，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi)，設(shè)計(jì)特征周期為0.45s,橋梁抗震設(shè)防分類(lèi)為丁類(lèi)，抗震設(shè)計(jì)方法為B類(lèi)，抗震措施按7度要求。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋全寬3.6m，凈寬3.13m，箱體高度為1200mm,底板采用弧線設(shè)計(jì)增加美觀度，頂、底鋼板厚度為20mm,腹板厚度為12mm，西側(cè)箱梁頂板下凹預(yù)留356mm×560mm空間，設(shè)置流水幕墻及排水溝。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用1~51m固端鋼箱梁，凈跨徑為39m。鋼箱梁與臺(tái)身連接部分內(nèi)管C35混凝土，下設(shè)錨固錨栓與橋臺(tái)固結(jié)。

2.2.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用重力式橋臺(tái)+鉆孔樁基礎(chǔ)形式，橋臺(tái)采用鋼筋混凝土重力式臺(tái)身：箱體固結(jié)于臺(tái)身內(nèi)一起澆筑，臺(tái)身尺寸為6.2m×4.2m×1.99m（長(zhǎng)×寬×高）；橋臺(tái)承臺(tái)尺寸為7.25m×4.8m×1.5m(長(zhǎng)×寬×厚）；樁基：主橋橋臺(tái)樁基采用直徑為0.8m的鉆孔灌注樁。根據(jù)橋位處地質(zhì)條件，均按摩擦樁設(shè)計(jì)，樁長(zhǎng)25m。

2.2.3 橋面設(shè)計(jì)

橋面采用3cm厚石材+2cm厚水泥砂漿+4.7～7.7cm厚鋼筋混凝土+1mm改性環(huán)氧樹(shù)脂防腐防水層進(jìn)行鋪裝（見(jiàn)圖1）。

圖1 橋面鋪裝橫斷面圖

2.2.4 護(hù)欄設(shè)計(jì)

本橋護(hù)欄一側(cè)為流水幕墻及流水溝，另一側(cè)為玻璃護(hù)欄。橋梁橫坡采用單向1%坡，坡向?yàn)橄蛑魉粔?cè)。

2.3 橋梁施工步驟設(shè)計(jì)

（1）施工步驟一。首先，進(jìn)行場(chǎng)地整平，施工橋臺(tái)，設(shè)置臨時(shí)支墩；同時(shí)工廠生產(chǎn)橋梁鋼結(jié)構(gòu)部分。其次，上部結(jié)構(gòu)梁在工廠完成預(yù)拼裝后運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)施工。預(yù)拼裝后相對(duì)尺寸核對(duì)無(wú)誤后，反饋現(xiàn)場(chǎng)施工單位核對(duì)標(biāo)高后再進(jìn)行運(yùn)輸。最后，臨時(shí)支墩施工完成后采用應(yīng)進(jìn)行支架預(yù)壓，預(yù)壓荷載為計(jì)算荷載的1.1倍，連續(xù)3d沉降值累計(jì)不超過(guò)3mm，且連續(xù)壓7d。臨時(shí)支撐建議采用直徑600的鋼管制作。

（2）施工步驟二。首先，承臺(tái)周邊用碎石回填，回填完成后拔出鋼板樁。其次，用吊裝架設(shè)主梁焊接，焊接完成后澆筑臺(tái)身及梁體內(nèi)混凝土。最后，待臺(tái)身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后拆除臨時(shí)支撐。

（3）施工步驟三。施工橋面系并進(jìn)行橋梁裝飾，然后通行。

2.4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）橋梁鋼箱梁與橋臺(tái)設(shè)計(jì)初期采用焊接鋼板固結(jié)方式，但安裝空間太小，焊縫強(qiáng)度很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，后與施工單位溝通采用長(zhǎng)錨桿錨固的形式連接，施工方便，錨桿錨固效果較好。

（2）行人步頻分布在1.6~2.0Hz，結(jié)構(gòu)的自振頻率應(yīng)不與行人的激勵(lì)頻率接近,避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)共振或振動(dòng)過(guò)大現(xiàn)象[3-4]，故設(shè)計(jì)過(guò)程中采用梁體與橋臺(tái)基礎(chǔ)固結(jié)的形式，整體效果經(jīng)濟(jì)美觀，結(jié)構(gòu)安全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，實(shí)際運(yùn)行良好，過(guò)橋舒適度高。

3 橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型建立

采用Civil Designer對(duì)橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）和《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算。進(jìn)行實(shí)體建模可以較真實(shí)地反映橋梁整體變化、空間效應(yīng)和局部應(yīng)力傳遞機(jī)理，能夠進(jìn)行各種極限狀態(tài)的受力分析及結(jié)構(gòu)破壞的全過(guò)程分析[5]。橋梁上部鋼結(jié)構(gòu)部分采用厚板單元模擬，橋臺(tái)采用實(shí)體單元模擬，鋼筋拉桿采用桿單元模擬，橋臺(tái)樁基礎(chǔ)采用桿單元模擬并模擬了土側(cè)剛度。邊界條件：樁基礎(chǔ)模擬側(cè)向剛度及豎向剛度。

圖2 橋梁數(shù)值計(jì)算模型

3.2 計(jì)算階段與參數(shù)取值

3.2.1 數(shù)值計(jì)算階段劃分

計(jì)算模型根據(jù)實(shí)際施工階段進(jìn)行模擬，共有四個(gè)施工階段：

（1）第一段梁體架設(shè)階段：設(shè)置臨時(shí)支撐，架設(shè)第一段梁體，施工天數(shù)7.0d；

（2）梁體整體安裝拆除臨時(shí)支撐階段：設(shè)置樁基、承臺(tái)、橋臺(tái)，安裝第二、三段梁體，拆除臨時(shí)支撐，施工天數(shù)7.0d；

（3）施工橋面系階段：激活橋面荷載系，施工天數(shù)7.0d；

（4）收縮徐變階段，施工天數(shù)3652d。

3.2.2 數(shù)值計(jì)算荷載設(shè)計(jì)

計(jì)算模型共考慮7種荷載工況：

（1）結(jié)構(gòu)自重：鋼材Q345qD，76.98kN/m3；C35混凝土，25kN/m3；

（2）欄桿荷載：左側(cè)1kN/m；

（3）水景幕墻：右側(cè)5kN/m；

（4）橋面鋪裝荷載：12kN/m；

（5）溫度荷載效應(yīng)：考慮整體升溫25℃，整體降溫20℃；梯度溫度按橋面板升降溫7℃計(jì)算；

（6）承臺(tái)混凝土：鋼箱梁與橋臺(tái)連接部分灌入C35混凝土；

（7）風(fēng)荷載：按JTG/T3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》取用，本橋按5kN/m。

移動(dòng)荷載按《城市人行天橋和人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-95）要求執(zhí)行,人群荷載4.2kN/m2。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 梁體應(yīng)力值驗(yàn)算

模型計(jì)算基本組合下腹板應(yīng)力值51.704 MPa≤160.000MPa，滿(mǎn)足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定拉/壓彎構(gòu)件腹板應(yīng)力驗(yàn)算要求，梁體正應(yīng)力值154.780 MPa≤fd=275.000MPa，滿(mǎn)足拉/壓彎構(gòu)件翼緣板彎曲正應(yīng)力驗(yàn)算要求。

3.3.2 橋梁整體運(yùn)行基頻驗(yàn)算

一階豎彎振型（見(jiàn)圖3），豎彎基頻為3.45Hz,滿(mǎn)足《城市人行天橋和人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69-95）規(guī)定不小于3Hz的要求。

圖3 一階豎彎振型

3.3.3 撓度驗(yàn)算及預(yù)拱度

按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.3條規(guī)定，計(jì)算豎向撓度時(shí)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法并應(yīng)采用不計(jì)沖擊力的汽車(chē)車(chē)道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)為1.0。根據(jù)計(jì)算可知，撓度驗(yàn)算滿(mǎn)足要求，預(yù)拱度值為37.613mm。

表1 撓度驗(yàn)算及預(yù)拱度

3.3.4 構(gòu)造驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）規(guī)定，需計(jì)算加勁肋縱橫向尺寸及剛度。經(jīng)計(jì)算該鋼箱梁頂、底板縱橫向加勁肋尺寸及剛度計(jì)算均滿(mǎn)足規(guī)范要求，頂板懸臂段縱、橫向加勁肋尺寸及剛度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.3.5 計(jì)算結(jié)果總結(jié)

該橋梁鋼箱梁構(gòu)造設(shè)計(jì)、截面應(yīng)力、橋梁振動(dòng)頻率、橋臺(tái)基礎(chǔ)驗(yàn)算等各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)錫市濱湖區(qū)某人行橋設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，在明確工程情況和總體設(shè)計(jì)方案的情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了橋梁結(jié)構(gòu)和施工步驟設(shè)計(jì)，分析了設(shè)計(jì)要點(diǎn)；通過(guò)采用數(shù)值計(jì)算軟件，建立了橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算模型，對(duì)數(shù)值計(jì)算的階段進(jìn)行了科學(xué)劃分，分析了數(shù)值計(jì)算的結(jié)果。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知：橋梁鋼箱梁截面應(yīng)力、橋梁振動(dòng)頻率、橋臺(tái)基礎(chǔ)驗(yàn)算等各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的施工步驟開(kāi)展施工，使得該橋得以順利完成建設(shè)。目前，該橋已投入使用，造型優(yōu)美且運(yùn)行良好。