某鋼桁架人行天橋的計算分析

危玉蓉 熊誠 李靜 陳玉龍 梁慶學

摘要：某人行天橋的主橋為簡支鋼桁架結構，橋梁平面布置為H形。通過MIDAS CIVIL軟件對鋼桁架梁、鋼平臺及連梁進行計算分析，計算分析結果表明其結構設計滿足規(guī)范要求，還介紹了天橋設計要點，可為類似工程設計提供參考。

關鍵詞：人行天橋； 鋼桁架梁； 結構計算； 特征值

中圖分類號：U448.11文獻標志碼：A

0引言

隨著我國城市快速交通的不斷發(fā)展，高速公路，軌道交通、城市快速路的網(wǎng)絡系統(tǒng)逐步完善，人行過街系統(tǒng)也在不斷發(fā)展。按規(guī)范要求，當行人與非機動車穿越快速路或有封閉要求的道路時，必須采用立體交叉的方式［1］。其中，人行天橋發(fā)展最快，應用最廣。在一些城市主干路和快速路中由于中間沒有設置綠化帶，橋梁沒有在跨中設置墩柱的空間，因此對人行天橋跨越能力的要求也越來越高。而鋼桁架結構具有承載能力大、剛度大、跨越能力大、造型美觀、行人舒適感強等特點［2］，使得鋼桁架人行天橋被廣泛應用。

1工程概況

某快速化改造工程項目為宜昌市的重點建設項目，主線道路等級為城市快速路，主線橋梁寬度為18～25.5 m，雙向4～6車道，設計車速為60 km/h，主輔共面段長875.3 m，紅線寬度26～56 m。

本文結合項目的項目特點，經(jīng)分析研討在主輔共面的交叉路口擬興建一座人行天橋，對該人行天橋進行方案比選后，推薦天橋方案主橋為簡支鋼桁架結構，橋梁平面布置為H形，如圖1、圖2。該處主線雙向六車道，輔道雙向4車道。道路橫斷面布置為41 m。

2主橋結構設計

2.1上部結構

天橋主橋為簡支鋼桁架結構，采用“工廠節(jié)段預制、現(xiàn)場焊接拼裝”的方法施工。計算跨徑為55.55 m，鋼桁架全長56 m，鋼桁架寬5 m，高5.45 m。上下弦桿均采用箱型截面，截面寬度400 mm，高度為450 mm，板厚為16～18 mm。北側兩端分別接長14.669 m和17.037 m鋼箱梁連梁，南側兩端分別接長19.457 m和12.681 m鋼箱梁連梁，鋼箱梁寬3.5 m，高1.2 m。

2.2下部結構

主梁橋墩采用鋼平臺接直徑為1.2 m圓形鋼柱，2.5 m×2.5 m×2 m承臺接直徑2根1.5 m鉆孔灌注樁。連梁與鋼平臺固結。

3荷載計算

3.1恒載計算

（1）自重：鋼結構78.5 kN/m3；

（2）橋面鋪裝：8 mm厚鋼板及C30壓模防水混凝土（均厚59.25 mm），縱橋向二期恒載（含雨棚、欄桿）按16.0 kN/m計算;

（3）基礎不均勻沉降： 5 mm；

3.2活載計算

（1）人群荷載：跨度L=56 m，w=［5-2×（56-20/80）］×（20-4.2/2）/20=3.67 kPa；

（2）溫度荷載：整體升降溫±25 ℃；

（3）風荷載：v=27 m/s，風壓為W0=v2/1.6=0.46 kPa。

W=K1·K2·K3·K4·W0=0.85×0.8×1.3×0.8×0.46=0.325 kPa

上弦桿風荷載為0.325×0.45=0.15 kN/m，下弦桿風荷載為0.325×0.45=0.15 kN/m。

4結構計算與分析

使用MIDAS/Civil軟件建立三維有限元模型，對人行天橋進行驗算。

4.1鋼桁架梁計算分析

鋼桁架結構分為上弦桿、下弦桿、腹桿，均采用梁單元模擬，如圖3。

4.1.1鋼桁架應力分析

按《公路橋涵鋼結構規(guī)范》驗算上部結構強度、穩(wěn)定性［3］。

經(jīng)計算，承載能力極限狀態(tài)基本組合效應比偶然組合效應大，故以下只列出基本組合的結果。

工程結構危玉蓉， 熊誠， 李靜， 等： 某鋼桁架人行天橋的計算分析

4.1.1.1弦桿應力

由圖4、圖5可以看出，荷載組合作用下上、下弦桿的最大拉應力為103.3 MPa，最大壓應力為67.1 MPa，均小于JTG D64-2015《公路鋼結構橋涵設計規(guī)范》規(guī)定的容許應力［σ］=270 MPa。

4.1.1.2腹桿應力

由上圖6可以看出，荷載組合作用腹桿的最大拉應力為67.6 MPa，最大壓應力為44.4 MPa，均小于JTG D64-2015《公路鋼結構橋涵設計規(guī)范》規(guī)定的容許應力［σ］=270 MPa。

4.1.1.3下橫梁應力

由圖7、圖8可以看出，荷載組合作用下橫梁的最大拉應力為94.4 MPa，上橫桿最大壓應力為3.3 MPa，均小于JTG D64-2015《公路鋼結構橋涵設計規(guī)范》規(guī)定的容許應力［σ］=270 MPa。

4.1.2鋼桁架梁撓度分析

4.1.2.1恒載撓度

全橋落架后自重、二期恒載引起的撓度見圖9～圖11（單位：mm）。

4.1.2.2人群荷載作用下?lián)隙?/p>

由圖11可以看出，人群荷載下最大撓度為12 mm 55550/1600=34.72 mm，需要設置預拱度。

4.1.3鋼桁架梁特征值分析

結構特征值分析采用子空間迭代法，二期恒載通過 Midas程序中荷載轉化為質量功能，將二期恒載轉化為節(jié)點質量計算。該橋在設計過程中，對比了3種不同截面的下橫梁的特征值，如圖12、表1所示。

經(jīng)綜合比選后，下橫梁選擇截面2（I形），3階豎向自振頻率f=3.045 Hz＞3 Hz，見表1，滿足CJJ 69-1996《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》的要求［4］。隨著振型階數(shù)的增大，人行天橋的自振頻率也不斷增大。

4.2連梁應力分析

主梁橋墩采用鋼平臺接鋼柱，連梁與鋼平臺固結，如圖13所示。

4.2.1連梁正應力

由圖14、圖15可以看出，連梁最大壓應力62.0 MPa、最大拉壓力49.5 MPa均小于210 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.2連梁剪應力

由圖16可以看出，連梁最大剪應力18.6 MPa小于120 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2.3連梁位移

由圖17可以看出，連梁恒載和活載組合下連梁最大位移5.4 mm：5.4/20707=1/3835<1/1600，則連梁結構不需設置預拱度。

5設計要點

（1）節(jié)點處立面內(nèi)外鋼板采用整體板切割成節(jié)點板，不僅外觀效果更好，還能改善桁架節(jié)點受力。

（2）大跨徑簡支鋼桁架結構設計時，影響鋼桁架豎向自振頻率的主要因素之一是桁架的高度。設計時應選擇合理的鋼桁架高度。

（3）大跨徑簡支鋼桁架桁高取值都比較高，通常約為跨徑的1/10，節(jié)點間距可以取得較大，以增加天橋的通透性，輕盈感。

（4）為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3 Hz，若結構豎向自振頻率不滿足要求，可通過以下措施來調(diào)整設計：①調(diào)整天橋結構特性參數(shù)（斷面高度、桿件規(guī)格、天橋質量）等，增大結構剛度來調(diào)整。②在結構上增設減震裝置，減少結構的振動效應，通常采用TMD（調(diào)頻質量阻尼器）減震器。

本橋是通過調(diào)整下橫梁的規(guī)格尺寸，使鋼桁架豎向自振頻率滿足規(guī)范要求。

6結論

通過對鋼桁架梁、鋼平臺及連梁進行建模計算分析，分析結果顯示：

（1）在成橋使用階段，主梁各截面應力分布良好，滿足規(guī)范要求。

（2）結構在自重和人群荷載下的變形均滿足使用要求。

本文針對該人行天橋進行了計算分析，總結出了天橋設計要點，希望能為今后類似工程設計提供參考。

參考文獻

［1］城市道路交通工程項目規(guī)范： GB 55011-2021［S］.

［2］劉曉捷，邵忠民，喬―宇.鋼桁架結構在人行天橋中的應用［J］.市政技術，2012（6）.

［3］公路鋼結構橋涵設計規(guī)范： JTG D64-2015［S］.

［4］城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范： CJJ69-1995［S］.

［作者簡介］危玉蓉（1985—），女，碩士，高級工程師，主要從事道路橋梁設計工作。