某城軌高架車站人行天橋鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李士平

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

0 引言

城市軌道交通是采用軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行承重和導(dǎo)向的車輛運(yùn)輸系統(tǒng)，依據(jù)城市交通總體規(guī)劃要求，設(shè)置全封閉或部分封閉的專用軌道線路，以列車或單車形式，運(yùn)送相當(dāng)規(guī)?？土髁康墓步煌ǚ绞剑?］。

城軌交通系統(tǒng)根據(jù)城市情況，可采用多種站型模式。如當(dāng)采用路中高架車站形式時(shí)，車站主體結(jié)構(gòu)由站廳層、站臺(tái)層、站臺(tái)雨棚及承軌結(jié)構(gòu)等部分組成［2］；同時(shí)，車站兩側(cè)需配備跨越城市道路的人行天橋，以連通路側(cè)的附屬用房或鋼箱梁梯道結(jié)構(gòu)等，以連接天橋與地面［3］，典型路中高架車站效果如圖1所示。

圖1 典型路中高架車站效果Fig.1 Typical Effect of Elevated Station on the Road

本文以某沿海城市軌道交通工程路中高架車站的人行天橋?yàn)楣こ贪咐瑥亩鄠€(gè)方面對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)人行天橋設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及建議可供類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

1 工程概況

該高架車站位于某沿海城市，屬于路中車站形式，車站位于地面道路的中央綠化帶內(nèi)，車站的二層、三層分別為站廳層和站臺(tái)層。車站兩側(cè)為城市主干道，單向5車道，路側(cè)有綠化帶、非機(jī)動(dòng)車道、人行道等。

車站設(shè)置人行天橋跨越城市道路，與路側(cè)樓扶梯出入口銜接，其外觀如圖2所示。

圖2 人行天橋與路側(cè)出入口效果Fig.2 The Effect of Pedestrian Bridge and Roadside Entrances and Exits

車站主體結(jié)構(gòu)與出入口結(jié)構(gòu)的邊緣凈距25.5 m，天橋設(shè)置屋面擋雨，屋面結(jié)構(gòu)人形找坡排水，兩側(cè)設(shè)排水溝；橋面人行通道凈寬6.7 m，凈高3.2 m，吊頂高1.2 m，橋面采用建筑找坡，結(jié)構(gòu)保持平面。

由于該工程位于沿海地區(qū)，且常年遭遇臺(tái)風(fēng)天氣，易引發(fā)二次災(zāi)害，故天橋屋面及橋面均采用組合樓板+較厚建筑面層，適當(dāng)加大自重，以減輕臺(tái)風(fēng)的影響。

2 天橋結(jié)構(gòu)選型

目前國(guó)內(nèi)城市道路人行天橋主要采用鋼箱梁和鋼桁架形式［4］。鋼箱梁天橋具有外觀龐大、用鋼量大、無擋雨頂棚等缺點(diǎn)，而桁架結(jié)構(gòu)跨越能力大，下部行人，上部可兼做頂棚，結(jié)構(gòu)和功能性結(jié)合較好［5］。

根據(jù)本工程人行天橋的建筑造型，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力要求，人行天橋結(jié)構(gòu)確定為單跨簡(jiǎn)支鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，桁架兩端落于牛腿支座之上。天橋立面桁架選用矩形桁架以兼做頂部雨棚，腹桿選用人字式或單斜式，如圖3所示。

圖3 立面桁架Fig.3 Facade Truss （mm）

方案1中人字式腹桿體系的桿件數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)較少，且呈對(duì)稱布置，結(jié)構(gòu)傳力和布置相對(duì)更為合理；方案2采用單斜式，一般用于懸挑或具有明顯單向傳力特征的桁架。但在本工程中，人行天橋立面桁架形式對(duì)外立面建筑觀感起決定性作用，經(jīng)溝通和調(diào)研當(dāng)?shù)亟ㄖ龇L(fēng)格，決定采用方案2，即單斜式腹桿，并在車站兩側(cè)的天橋?qū)ΨQ布置腹桿傾斜方向，以符合建筑要求。

上弦屋面以及下弦橋面均布置橫向鋼梁及縱向次鋼梁，其上為115厚壓型鋼板組合樓板，結(jié)構(gòu)面上下分別為建筑面層和管線吊頂；兩側(cè)布置防跌落欄桿。

3 桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)條件

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，該天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。

⑴恒荷載：結(jié)構(gòu)自重由計(jì)算程序自動(dòng)考慮，屋面附加恒載據(jù)實(shí)取值5.4 kN/m2，橋面附加恒載據(jù)實(shí)取值4.3 kN/m2，均不含組合樓板自重。

⑵活荷載：屋面活荷載取0.5 kN/m2，天溝積水線荷載取2.5 kN/m2，橋面活荷載取人群荷載5.0 kN/m2。

⑶雪荷載：50年重現(xiàn)期基本雪壓0.35 kN/m2。

怎么構(gòu)？就是分析條件，由確定條件確定定的點(diǎn)，先構(gòu)造定的點(diǎn)；對(duì)于不能確定的點(diǎn)，尋找這個(gè)點(diǎn)相關(guān)的條件，基于兩個(gè)條件進(jìn)行“雙軌跡”構(gòu)圖，兩個(gè)軌跡的交點(diǎn)就是要確定的點(diǎn)，確定的點(diǎn)即滿足條件A，也滿足條件B，條件A對(duì)應(yīng)著軌跡a，條件B對(duì)應(yīng)著軌跡b，這個(gè)點(diǎn)就是軌跡a與軌跡b的交點(diǎn)，即“雙軌跡”構(gòu)圖.

⑷風(fēng)荷載：50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.60 kN/m2，地面粗糙度類別為B類，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載體型系數(shù)參照荷載規(guī)范取值。

⑸地震作用：本工程抗震設(shè)防烈度6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅳ類，特征周期Tg=0.75 s。⑹溫度作用：計(jì)算取值升降溫各20 ℃。⑺荷載組合：按規(guī)范相關(guān)要求執(zhí)行。

3.2 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)整體建模以及計(jì)算分析采用同濟(jì)大學(xué)3D3S軟件進(jìn)行，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型Fig.4 Structural Calculation Model

天橋上弦采用400×400×16 矩形管，下弦采用450×400×16 矩形管，腹桿采用直徑299×16 無縫鋼管，橫向鋼梁及縱向次梁采用350×200至200×100不等的截面矩形管。鋼材均為Q335B 牌號(hào)。桁架結(jié)構(gòu)橫斷面布置如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)橫斷面布置Fig.5 Layout of Structural Cross Section （mm）

計(jì)算模型的下部四角位置設(shè)置為支座，一端為鉸接，另一端為縱向滑動(dòng)支座，以釋放縱向變形及溫度應(yīng)力?？v向次梁兩端設(shè)置為鉸接節(jié)點(diǎn)。

天橋兩端設(shè)置變形縫各100 mm，支座中心跨度24.90 m，橫斷面上下弦中心高度5.09 m，左右桁架中心距離7.00 m。

3.3 靜力分析

根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行規(guī)范檢驗(yàn)，所有構(gòu)件最大強(qiáng)度應(yīng)力比為0.846，最大穩(wěn)定應(yīng)力比0.870，結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求。

正常使用極限狀態(tài)方面，在荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，即恒載+活載的荷載組合下，桁架最大撓度為17.7 mm，小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017—2017》［6］的撓度限值L/400=62.25 mm，大于L/1 600=15.56 mm，故設(shè)置預(yù)拱度，并要求做成圓滑曲線；在活荷載工況下，桁架最大撓度為3.8 mm，小于《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范：CJJ 69—95》［7］中的撓度限值L/800=31.13 mm。天橋撓度形態(tài)如圖6所示。

圖6 天橋撓度圖Fig.6 Deflection Diagram of Overbridge

3.4 動(dòng)力特性分析

天橋鋼結(jié)構(gòu)的前六階動(dòng)力特性如表1及圖7所示，其中前五階振型為水平振動(dòng)，第六階振型為豎向振動(dòng)。

表1 結(jié)構(gòu)基本動(dòng)力特性Tab.1 Basic Dynamic Characteristics of the Structure

圖7 前六階自振模態(tài)Fig.7 The First Six Modes of the Structure

為避免人行激勵(lì)引起的共振現(xiàn)象，減少行人不安全感，天橋結(jié)構(gòu)豎向自振頻率需避開人行步頻（1.2～2.5 Hz）［8］，第一階豎向自振頻率不應(yīng)低于3.0 Hz；根據(jù)表1 可知，本工程天橋第一階豎向自振為3.788 Hz，滿足要求。

3.5 天橋支座選擇

人行天橋共4 個(gè)支座節(jié)點(diǎn)，車站側(cè)2 個(gè)支座為鉸接支座，出入口側(cè)的2 個(gè)支座為滑動(dòng)支座。為了滿足設(shè)計(jì)假定條件，應(yīng)選擇不同的支座類型。

根據(jù)程序計(jì)算結(jié)果，單支座處最大反力設(shè)計(jì)值約為1 725 kN，出入口側(cè)最大縱向位移約為10 mm。故分別采用雙向固定的橡膠盆式支座GPZ（Ⅱ）2GD 和單向滑動(dòng)（縱向）的橡膠盆式支座GPZ（Ⅱ）2DX，豎向承載能力均為2 000 kN，滑動(dòng)支座允許位移±50 mm，以釋放縱向變形及溫度應(yīng)力，可以滿足設(shè)計(jì)要求。不同支座的高度相差5 mm，可通過不同厚度的墊板加以調(diào)平，從而使兩端牛腿標(biāo)高保持一致，可避免施工差錯(cuò)。

4 結(jié)語

該人行天橋工程是某沿海城市軌道交通高架車站的附屬結(jié)構(gòu)，本文從多個(gè)方面對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)。

⑴該鋼桁架人行天橋結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑要求、當(dāng)?shù)刈龇L(fēng)格等進(jìn)行了桁架選型工作，利用了大跨度鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，滿足建筑功能和外觀美化的要求，實(shí)現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理統(tǒng)一。

⑵鑒于工程處于沿海臺(tái)風(fēng)區(qū)，適當(dāng)加大了屋面及橋面的面層自重。

⑶對(duì)靜力及動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，得出了合理結(jié)論并擇優(yōu)選擇支座類型，本鋼桁架天橋滿足設(shè)計(jì)要求。

鋼桁架結(jié)構(gòu)的跨越能力較大，而且可兼顧橋面行人空間和屋面雨棚需求，整體功能性和景觀性良好，可為其他類似桁架形式的人行天橋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。