大跨度單榀鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)人行天橋設(shè)計(jì)

【摘要】文中以某大跨度單榀鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)人行天橋工程為例，項(xiàng)目中的空中連廊兩側(cè)銜接裙房二層，上跨城市次干路，主跨48.321 m。綜合考慮人行天橋結(jié)構(gòu)受力、結(jié)構(gòu)美觀性、施工難度、綜合經(jīng)濟(jì)效益等因素，設(shè)計(jì)過程中，人行天橋采用單榀鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)，鋼箱及主桁采用全焊接，腹桿與上箱梁及下箱梁的連接均采用整體節(jié)點(diǎn)板。

【關(guān)鍵詞】人行天橋；鋼箱梁；單榀鋼桁梁；組合結(jié)構(gòu)

【中圖分類號】TU393.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）07-0118-03

0 引言

大跨度單榀鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)人行天橋，作為橋梁工程技術(shù)創(chuàng)新的一項(xiàng)成果，不僅突破了傳統(tǒng)人行天橋的結(jié)構(gòu)形式，更彰顯了材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)分析與美學(xué)設(shè)計(jì)的跨學(xué)科融合實(shí)力。設(shè)計(jì)此類天橋時(shí)，需應(yīng)對大跨度帶來的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全性挑戰(zhàn)，同時(shí)需在資源有限的情況下，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化與景觀化的雙重目標(biāo)。因此，深入分析大跨度單榀鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐路徑，探索如何在確保行人安全舒適的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)賦予天橋獨(dú)特的形態(tài)與功能之美，成為當(dāng)前城市橋梁設(shè)計(jì)領(lǐng)域亟待研究的課題。

1 工程概況

人行天橋項(xiàng)目橋梁1#連廊，西側(cè)與裙房二層相接，東側(cè)與裙房二層相接，上跨市政次干路。西側(cè)裙房二層標(biāo)高28.3 m，東側(cè)裙房二層標(biāo)高31.25 m，高差2.95 m。

橋梁主跨與次干路斜交角57.2°，受布墩條件限制，人行橋需一跨跨越次干路，跨徑48.321 m。為避讓耕地范圍，人行橋斜跨后在Z2墩柱處轉(zhuǎn)折，橋梁軸線夾角147.9°。

人行天橋所在地南側(cè)規(guī)劃為公園，景觀資源優(yōu)越，故橋梁景觀效果要求較高。若采用常規(guī)桁架結(jié)構(gòu)，人視角度及車行視角均易出現(xiàn)腹桿錯(cuò)位問題，視覺通透性較差[1]。若采用常規(guī)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，則梁高需約2.4 m[2]，難以滿足梁底城市道路凈空要求，且跨中豎向撓度較大。

與鋼桁梁橋相比，鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)的鋼桁梁下翼緣采用整體鋼箱，可使全橋結(jié)構(gòu)高度降低，在采用鋼桁梁受到橋梁高度限制時(shí)滿足條件[3]。相較鋼箱梁，使用桁架對鋼箱梁加勁，使構(gòu)造既有鋼桁梁豎向剛度，又有鋼箱梁橫向剛度。此結(jié)構(gòu)能改善鋼箱梁的整體受力性能，使跨中撓度減小[4]。故工程項(xiàng)目提出采用單榀箱桁組合結(jié)構(gòu)。在最大程度減小箱梁高度的同時(shí)，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度，并兼顧整體景觀效果。

因此主梁采用連續(xù)單榀鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋梁總面積471.037 m2，如圖1所示。

2 橋梁總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1）橋梁設(shè)計(jì)荷載。人群荷載采用5 kPa。

2）橋下凈空。機(jī)動車道≥5.4 m，人行道≥2.5 m，消防車道≥4.0 m。

3）設(shè)計(jì)安全等級。一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：γo=1.1。

4）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。100年，設(shè)計(jì)使用年限：100年。

5）橋面橫坡。橋面設(shè)置單向1.5％橫坡。

2.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸

連廊跨徑組合為5.678 m+48.321 m+12.773 m+9.23 m，橋面寬5.194～7.285 m，橋總長79.002 m。為單榀鋼桁梁+鋼箱梁組合結(jié)構(gòu)體系。桁架上、下箱中心距4.780 m，標(biāo)準(zhǔn)段節(jié)間距為6.903 m及5.404 m，如圖2所示。

1）上部結(jié)構(gòu)。桁架下箱采用單箱三室箱形截面，截面高0.9 m，中間箱寬度0.45 m，兩側(cè)翼緣懸臂長1.0 m；頂、底板及腹板均設(shè)置縱向加勁肋。桁架上箱采用矩形截面，外圍尺寸為1 200 mm×400 mm。腹桿標(biāo)準(zhǔn)段外圍尺寸為450 mm×250 mm。

2）下部結(jié)構(gòu)。橋墩采用V型鋼管橋墩，采用2 m×0.8 m鋼箱，內(nèi)灌C35補(bǔ)償收縮混凝土。墩頂間距2.6 m，墩頂設(shè)置350 mm×400 mm系梁。墩下設(shè)直徑1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩柱與樁基之間設(shè)置承臺連接。樁基均按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

3 整體單梁模型計(jì)算及結(jié)果

3.1 單梁模型的建立

采用Midas Civil軟件建立全橋整體模型進(jìn)行分析，如圖3所示。

3.2 主要計(jì)算結(jié)果

1） 應(yīng)力。上箱σmax =-125.0 MPa，τmax =30.5 MPa ；腹桿σmax =-175.0 MPa，τmax=14.1 MPa；下箱σmax=80.0 MPa，τmax=37.6 MPa，均滿足規(guī)范要求。（注：受壓為負(fù)值）。

2）支反力。①標(biāo)準(zhǔn)組合下支點(diǎn)最大反力為2 700.2 kN，最小143.8 kN。②在荷載作用下，主梁有向內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)的趨勢，為防止外側(cè)支座Z2a支座脫空，橋體設(shè)置壓重措施，在Z2a處下箱梁外側(cè)箱室6 m范圍內(nèi)填充0.25 m高的素混凝土。

3）撓度。恒載下，跨中撓度30.5 mm，懸臂端撓度4.3 mm；活載下，跨中撓度14.1 mm，懸臂端撓度2.1 mm。豎向撓度均小于規(guī)范限值，橋體第二跨設(shè)置預(yù)拱度，跨中預(yù)拱度37 mm，按二次拋物線設(shè)置。

4）自振頻率。①橋體結(jié)構(gòu)一階豎向自振頻率為3.13 Hz，中跨對稱豎向半波振動，大于3.0 Hz，滿足規(guī)范要求。橋體結(jié)構(gòu)橫向自振頻率為3.60 Hz，大于1.2 Hz。②橋體預(yù)留TMD裝置安裝條件，附屬結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行振動測試，并根據(jù)實(shí)測頻率、振型、結(jié)構(gòu)阻尼判斷是否安裝TMD裝置。人行橋建成后，振動測試滿足要求。

5）抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。①極限風(fēng)載抗傾覆驗(yàn)算。作用基本組合下，箱梁支座均受壓；箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為14.7，大于2.5，滿足要求。②人群偏載抗傾覆驗(yàn)算。作用基本組合下，箱梁支座均受壓；箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為30.7，大于2.5，滿足規(guī)范要求。

6）屈曲分析。第一階屈曲模態(tài)的屈曲因子為54.15，為桁架上箱平面內(nèi)失穩(wěn)；第二階屈曲模態(tài)的屈曲因子58.81，為桁架上箱平面內(nèi)失穩(wěn)。橋梁結(jié)構(gòu)整體屈曲因子＞50.0，不易發(fā)生整體失穩(wěn)。

4 板殼模型計(jì)算及結(jié)果

4.1 板殼模型的建立

采用ABAQUS有限元程序計(jì)算，全橋所有構(gòu)件均采用殼單元進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬與分析，如圖4所示。

4.2 主要計(jì)算結(jié)果

1）Mises應(yīng)力。①上箱頂板最大Mises應(yīng)力為169.0 MPa，底板最大Mises應(yīng)力為169.0 MPa，腹板最大Mises應(yīng)力為147.8 MPa。②腹桿最大Mises應(yīng)力為224.6 MPa。③下箱頂板最大Mises應(yīng)力為112.1 MPa，底板最大Mises應(yīng)力為236.3 MPa，邊腹板最大Mises應(yīng)力為107.6 MPa，中腹板最大Mises應(yīng)力為187.8 MPa。

2）支點(diǎn)反力。標(biāo)準(zhǔn)組合下支點(diǎn)最大反力為2 863 kN，最小704.11 kN。結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合下未出現(xiàn)負(fù)反力，滿足要求。

3）撓度。恒載下，跨中撓度38.3 mm，懸臂端撓度4.1 mm ；活載下，跨中撓度16.1 mm，懸臂端撓度2.66 mm。

4）自振頻率。結(jié)構(gòu)豎向自振頻率為3.14 Hz，大于3 Hz，滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)橫向自振頻率為3.60 Hz，大于1.2 Hz。

5）抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算。①極限風(fēng)載抗傾覆驗(yàn)算，作用基本組合下，下箱梁支座均受壓。下箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為25.6，大于2.5，滿足要求。②人群偏載抗傾覆驗(yàn)算。作用基本組合下，下箱梁支座均受壓；下箱梁橫向抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)最小值為7.1，大于2.5，滿足要求。

4.3 小結(jié)

1）比較板殼模型與單梁模型，板殼單元模型結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力值比梁單元模型最大應(yīng)力值大，經(jīng)分析為節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力集中。除應(yīng)力集中點(diǎn)外，其余關(guān)鍵點(diǎn)平均應(yīng)力值基本一致，且均小于規(guī)范限值，有一定富余。

2）比較板殼模型與單梁模型。板殼模型計(jì)算結(jié)果中，支點(diǎn)反力、撓度、自振頻率抗傾覆計(jì)算結(jié)果與整體單梁模型計(jì)算結(jié)果趨向一致，且均滿足規(guī)范要求。

5 鋼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與計(jì)算

5.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

除Z1端部3根腹桿外，其余腹桿與上箱梁及下箱梁的連接均采用整體節(jié)點(diǎn)板[5]，整體節(jié)點(diǎn)板從上箱梁底板及下箱梁頂板對應(yīng)位置開槽通過[6]。

在整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造中，節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)弦桿腹板與節(jié)點(diǎn)板由同一塊鋼板組成，節(jié)點(diǎn)板與上、下箱中腹板相接，避免了節(jié)點(diǎn)板與上箱底板相接，避免節(jié)點(diǎn)板與下箱頂板焊接。

5.2 節(jié)點(diǎn)局部計(jì)算

1）模型建立。選取腹桿受力最大的端部節(jié)點(diǎn)及弦桿受力最大的跨中節(jié)點(diǎn)，采用ABAQUS有限元程序建立節(jié)點(diǎn)板局部模型，如圖5 所示。

針對人行橋節(jié)點(diǎn)應(yīng)力驗(yàn)算，分別使用Midas/Civil中正常使用極限狀態(tài)荷載組合及標(biāo)準(zhǔn)組合的結(jié)果作為初始荷載施加到模型上。

2）計(jì)算結(jié)果。節(jié)點(diǎn)附近箱梁整體應(yīng)力較小，大部分部位應(yīng)力在70 MPa以下，左側(cè)腹桿應(yīng)力稍大，但大部分也在100 MPa以下，應(yīng)力變化較為規(guī)律。

將模型剖開，下箱梁內(nèi)部的加勁板及加勁肋應(yīng)力較為均勻，應(yīng)力大小在70 MPa以下；兩根腹桿內(nèi)部應(yīng)力也較為均勻，應(yīng)力大小在100 MPa以下，在左側(cè)腹桿上端直接受力部位存在應(yīng)力集中點(diǎn)，應(yīng)力最大為214.9 MPa，這與有限元節(jié)段模型加載方式有關(guān)，在經(jīng)過均勻傳力以后，左側(cè)腹桿應(yīng)力在70 MPa以下。局部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均小于限值270 MPa，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

1）項(xiàng)目采用單榀鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)，在最大程度減小了箱梁高度，滿足橋下凈空要求的同時(shí)，也增強(qiáng)了橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度。其中，下箱梁抗彎、抗扭，橫向穩(wěn)定性良好，其荷載橫向分配均勻，腹桿主要承受軸力，使用腹桿對下箱梁加勁，使得構(gòu)造既有鋼桁梁的豎向剛度，又有鋼箱梁的橫向剛度。

2）項(xiàng)目采用單榀鋼箱桁組合結(jié)構(gòu)，使得橋面視野開闊，線條簡潔大方，兼顧了整體景觀效果。

3）項(xiàng)目整體單梁模型計(jì)算與板殼模型計(jì)算結(jié)果均趨于一致，且各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4）項(xiàng)目腹桿與上箱梁及下箱梁的連接均采用整體節(jié)點(diǎn)板，并采用ABAQUS有限元程序建立節(jié)點(diǎn)板局部模型進(jìn)行計(jì)算，局部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均小于限值，且有一定的安全儲備。

工程項(xiàng)目具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，期望為類似工程建設(shè)提供一定實(shí)踐積累。

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[作者簡介]韋翠盈（1997—），女，廣西貴港人，本科，助理工程師，研究方向：橋梁工程設(shè)計(jì)。