空間內(nèi)傾魚腹式鋼桁梁人行天橋設計與創(chuàng)新

摘 要：以某人行天橋為研究對象，介紹其橋型的建筑創(chuàng)意與結(jié)構(gòu)設計，重點介紹橋梁結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點。主橋為單跨下承式簡支空間魚腹式變高鋼桁梁結(jié)構(gòu)體系，空間內(nèi)傾的魚腹式桁架為主要受力體系。上、下弦桿和豎桿間采用X型交叉鋼拉桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交叉剛性斜腹桿連接方式，首次將X型交叉鋼拉桿應用于橋梁結(jié)構(gòu)中?！半pΛ形”橋墩柱腳位置采用剪力釘與PBL剪力鍵相結(jié)合的鋼砼組合結(jié)構(gòu)剛性柱腳連接節(jié)點。橋梁結(jié)構(gòu)受力合理，造型優(yōu)美，體現(xiàn)了造型與結(jié)構(gòu)的有機結(jié)合。

關鍵詞：魚腹式；鋼桁梁；人行天橋；結(jié)構(gòu)創(chuàng)新；節(jié)點設計

中圖分類號：U442.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0068-05

Abstract： Taking a pedestrian bridge as the research object， this paper introduces the architectural creativity and structural design of its bridge type， with a focus on the innovative points of the bridge structure. The main bridge is a single span through type simply supported space fish belly type variable height steel truss structure system， with the fish belly type truss with spatial inclination as the main load-bearing system. The X-shaped cross steel tie rods are used between the upper and lower chord rods and the vertical rods instead of the traditional cross rigid diagonal web rod connection method， and for the first time， the X-shaped cross steel tie rods are applied to bridge structures. The rigid column base connection node of the steel-concrete compositrWie6F5xqixZXqU7oahRqg==e structure， which combines shear nails and PBL shear keys， is used for the position of the "double Λ-shaped" bridge pier column base. The bridge structure has reasonable stress and beautiful shape， reflecting the organic combination of shape and structure.

Keywords： fish belly type; steel truss; footbridge; structural innovation; joint design

隨著城市建設的發(fā)展，人們越來越重視高品質(zhì)的公共空間。人行天橋作為城市公共建筑的一員，不僅起到連接與通行的作用，而且造型優(yōu)美、與環(huán)境融合協(xié)調(diào)的人行天橋還成為了城市中一道亮麗的風景線。因此，人行天橋的造型日益成為城市建設決策者、公眾與設計師關注的重點，新穎的造型也層出不窮。

本文介紹了一座造型優(yōu)美的空間內(nèi)傾魚腹式鋼桁梁人行天橋的設計。魚腹式鋼桁架橋的應用早已有之。例如上海市的浙江路橋，是一座跨越蘇州河的魚腹式鉚接鋼桁架橋，至今已有百余年的歷史[1-3]。但魚腹式鋼桁架多用于中小跨徑橋梁，近些年來應用較少。

隨著社會需求，以及建筑材料、結(jié)構(gòu)分析水平的不斷發(fā)展，魚腹式鋼桁梁橋也可以推陳出新，通過結(jié)構(gòu)設計的創(chuàng)新，也能成為輕盈優(yōu)美的橋梁結(jié)構(gòu)型式。

1 項目概況

某天橋上跨城市快速路，該天橋處于城市的門戶位置，依照建設方要求，天橋需作為門戶橋梁和地標屬性進行建筑及景觀設計，施工期間不得中斷匯通路交通。

橋型的美學創(chuàng)意為城市之眼、城市之窗，內(nèi)傾的魚腹式鋼桁梁橋型通過流暢的橋梁形體設計和夜景照明變換來展現(xiàn)美學創(chuàng)意，圖1為橋梁效果圖。橋梁形體，整體外形流暢，美學創(chuàng)意還原率高，方案創(chuàng)意呈現(xiàn)準確。橋梁整體景觀與周邊環(huán)境融合度高，且成為標志性建筑。橋梁景觀形態(tài)得到廣大市民的高度評價。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設計

主橋為單跨下承式簡支空間魚腹式變高鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，空間內(nèi)傾魚腹式桁架為主要受力體系，橋面系通過剛性豎桿懸掛在主桁架下弦上，保障結(jié)構(gòu)橫向整體穩(wěn)定性，主墩采用空間“雙Λ形”矩形鋼管混凝土墩柱形式。

兩片主桁架通過在上弦桿設置的風撐，以及在下弦桿下設置的U型主、次橫梁將兩片主桁架橫向連系成整體。在U型橫梁上設置兩道主縱梁和一道小縱梁，形成橋面梁格體系，上面鋪設橋面鋼板，形成一個空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系。整個單跨下承式簡支鋼桁架結(jié)構(gòu)在頂端通過支座放置在“雙V型”橋墩上，在鋼桁架底部（即兩道主縱梁的底部）通過支座擱置在東西兩側(cè)由坡道和平臺構(gòu)成的四跨連續(xù)梯坡道梁平臺段的牛腿上。

橋梁主跨單跨跨徑為85 m，桁架梁端各一個節(jié)間距為7.5 m，中間14個節(jié)間距為5 m。人行道寬4.25 m。東西兩側(cè)各設置一對1∶4坡道和1∶2梯道。圖2為橋梁立面布置圖，圖3為橋梁平面布置圖，圖4為橋梁典型橫斷面圖。

主橋兩片主桁架立面投影最高處高度為7.6 m，每片主架的上、下弦桿線形在主桁架傾斜平面內(nèi)均為圓曲線，上下弦桿截面均為600 mm×600 mm×16 mm的Q345qD焊接方鋼，上下弦桿間腹桿為500 mm×30 mm×16 mm×12 mm的 Q345qD 焊接工字鋼，豎桿間通過直徑為 50 mm的“X型”設置的交叉鋼拉桿連系，鋼拉桿強度等級為PSB345。上弦桿間設置的風撐為400 mm×300 mm×10 mm×12 mm的 Q345qD焊接工字鋼，下弦桿間設置的主橫梁為500 mm×300 mm×10 mm×12 mm的Q345gD焊接工字鋼，次橫梁為300 mm×200 mm×10 mm×12 mm的Q345qD焊接工形鋼，端橫梁為500 mm×400 mm×12 mm×16 mm閉口Q345qD焊接矩形鋼。橋面系主縱梁為500 mm×300 mm×12 mm×16 mm的Q345qD焊接T形鋼，橋面板厚度為10 mm。樓梯坡道均采用分離雙箱型斷面，兩箱型梁之間通過踏步板橫向連接。

上部結(jié)構(gòu)為空間內(nèi)傾魚腹式變高桁架結(jié)構(gòu)。在同一平面內(nèi)，上、下弦桿和豎桿間通過兩道X型設置的交叉鋼拉桿連系，利用中空梭形調(diào)節(jié)套使兩拉桿在同一平面內(nèi)交叉而互不干涉。

利用剛性箱型豎桿，將橋面系懸掛于魚腹式主桁架下，形成穩(wěn)定的橫向框架體系。上弦桿間設置的工字型風撐，以及在下弦桿下設置的U型主、次橫梁將兩片主桁架橫向連系成整體，保證了整體橫向穩(wěn)定性，如圖5所示。

外部采用簡支結(jié)構(gòu)體系，配合雙曲面球型減隔震支座，在強震作用下，使本結(jié)構(gòu)體系具有優(yōu)異的抗震性能，同時節(jié)約下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模。

橋墩結(jié)構(gòu)：主橋2個主墩均采用空間“雙V型”矩形鋼管混凝土墩柱形式，每片“V型”墩柱在橫橋向布置在與上部主桁架相同的傾斜平面內(nèi)，在縱橋向?qū)ΨQ于各自的理論分跨線，向內(nèi)傾斜角度為60°，在理論分跨線處通過一橫梁連系成整體，墩柱截面尺寸為600 mm×600 mm，兩片“V型”橋墩縱橋向墩底間距為12.75 m，墩底橫橋向間距為12.846 m。樓梯和坡道墩柱采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，墩柱直徑為0.6 m。

樁基礎及承臺：主橋采用1.5 m鉆孔灌注樁基礎，坡道和梯道均采用直徑為1.2 m的鉆孔灌注樁，主橋每根“V形”橋墩的墩底均布置1根直徑為1.5 m的鉆孔樁，承臺平面尺寸為3.6 m×3.1 m，厚度為1.5 m。坡道和梯道均采用單樁獨柱形式，樁基直徑1.2 m。

施工方法采用工廠預制現(xiàn)場焊接。主要結(jié)構(gòu)體系為魚腹式桁架，工廠完成大節(jié)段預制后，先行吊裝，現(xiàn)場焊接合攏后，開放下行城市快速路部分交通，后吊裝橋面系大節(jié)段，現(xiàn)場焊接成整體。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 主要設計參數(shù)

1）結(jié)構(gòu)自重：鋼材容重按78.5 kN/m，鋼筋混凝土容重按26 kN/m取值。

2）二期恒載：欄桿2.0 kN/m，橋面鋪裝按5 kN/m取值。

3）風荷載（基本風壓）：0.45 kN/m2（重現(xiàn)期100年）。

4）人群荷載：4.5 kN/m2。

5）溫度作用：鋼結(jié)構(gòu)體系升溫46.9 ℃，體系降溫-40.1 ℃。

6）地震荷載： 地震基本烈度為8度，地震動峰值加速度0.20 g，抗震設防分類為乙類。

7）沉降：各墩柱按10 m沉降做最不利組合，樓梯、坡道各墩柱按5 mm沉降做最不利組合。

3.2 結(jié)構(gòu)計算

大跨度人行結(jié)構(gòu)，地震作用和人致振動問題均較為突出。應用有限元軟件建立空間桿系模型，進行人行橋的整體受力及抗震計算。計算模型中主要受力構(gòu)件的尺寸均按照實際尺寸進行模擬，圖6為橋梁計算模型。

根據(jù)計算，結(jié)構(gòu)強度、剛度及穩(wěn)定性均滿足要求。

對于大跨度的鋼結(jié)構(gòu)人行天橋，結(jié)構(gòu)輕柔，其人致振動問題值得重點關注[4]。針對本橋開展了人致振動的響應計算與分析，分析人群在隨機步行狀態(tài)下的人致振動激勵，驗算人致振動下結(jié)構(gòu)響應的加速度值和振動頻率。

人群在隨機步行狀態(tài)下人行橋的人致振動分析結(jié)果：隨機步行的計算得到該人行橋振動的豎向峰值為0.57 m/s2，小于豎向加速度限值0.678 m/s2，橫向峰值加速度峰值為0.042 m/s2，小于橫向加速度限值0.19 m/s2。根據(jù)計算結(jié)果可認為在設計的人群荷載作用下，若行人的步行完全隨機，沒有受外界影響發(fā)生同步效應，該橋的人致振動滿足舒適性要求。

考慮人群荷載強迫激勵下的振動響應分析結(jié)果：人行荷載豎向的平均激勵頻率約為2 Hz，橫向的平均激勵頻率約為1 Hz?？紤]到在該頻率的荷載作用下，橋梁可能發(fā)生較大的振動，故對其進行驗算。計算時，取橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比為3%，橫向頻率1 Hz，豎向頻率2 Hz，考慮完全隨機狀態(tài)下，橫、豎向同時加載進行計算。經(jīng)過計算分析得到橫向加速度峰值為0.008 m/s2，豎向加速度峰值為0.27 m/s2。在該工況下，主梁的橫向和豎向加速度峰值均未超限值，舒適性滿足要求。

4 設計創(chuàng)新

本橋設計的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）橋型設計綜合空間內(nèi)傾魚腹式桁架結(jié)構(gòu)體系與“城市之眼”的建筑美學創(chuàng)意，實現(xiàn)了力與美的完美結(jié)合。

2）本橋以空間內(nèi)傾魚腹式桁架為主要結(jié)構(gòu)體系，在傳統(tǒng)魚腹式桁架的基礎上，首次采用了空間內(nèi)傾的雙片魚腹式桁架，橫橋向兩片內(nèi)傾桁架的上弦間通過一字形風撐連接。支點位置采用箱型大橫梁，空間內(nèi)傾魚腹式桁架為主要結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)體系新穎，受力合理。

3）斜腹桿的設計創(chuàng)新：單榀桁架平面內(nèi)“X型”設置的交叉鋼拉桿應用于橋梁結(jié)構(gòu)利用中空梭形調(diào)節(jié)套使兩鋼拉桿在同一平面內(nèi)交叉而互不干涉，代替了橋梁結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)的交叉剛性斜腹桿連接方式，如圖7所示。該設計結(jié)構(gòu)受力合理，施工便捷，視覺上簡潔美觀。 4）魚腹式桁架上、下弦桿剛性連接節(jié)點設計時，將上、下弦桿箱型截面的腹板在靠近支點范圍合并成一塊整體的腹板，實現(xiàn)力線的連續(xù)，視覺簡潔美觀，如圖8所示。

5）“雙Λ型”橋墩柱腳位置采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點。鋼結(jié)構(gòu)柱腳與混凝土承臺的連接常用的型式有2種：一種是預先在混凝土承臺內(nèi)預埋錨固架，利用錨栓進行連接的方式；另一種為直埋式。本橋的設計采用直埋式，采用剪力釘與PBL剪力鍵相結(jié)合的鋼與混凝土柱腳連接節(jié)點設計，柱腳構(gòu)造如圖9所示。

5 施工工藝

橋梁施工采用工廠加工+現(xiàn)場少支墩吊裝拼裝的工藝。主要的施工步驟如下。

步驟1：施工準備；樁基、承臺及墩（臺）身施工；工廠內(nèi)加工橋梁異形柱、鋼桁架節(jié)段及樓梯鋼梁、鋼柱節(jié)段。

步驟2：施工臨時支墩；異形柱節(jié)段運輸至現(xiàn)場，定位安裝異形柱柱腿節(jié)段，澆筑異形柱混凝土，待混凝土強度達到設計要求后安裝異形柱柱帽，澆筑剩余混凝土，如圖10（a）所示；定位安裝樓梯柱及樓梯梁。

步驟3：鋼桁架節(jié)段運輸至現(xiàn)場，拼接為大節(jié)段；中間大節(jié)段吊裝就位，如圖10（b）所示。

步驟4：安裝異形柱頂支座及樓梯平臺支座；兩側(cè)大節(jié)段吊裝就位；調(diào)節(jié)主桁線形，定位準確后焊接；安裝拼接節(jié)間斜向拉桿；張拉全橋拉桿到設計要求的成橋索力，如圖10（c）所示。

步驟5：拆除臨時支墩；施工欄桿、橋面鋪裝等附屬設施；調(diào)索；竣工驗收。

（a） 異形柱及臨時墩施工

（b） 鋼桁架中間大節(jié)段吊裝

（c） 鋼桁架拼裝完成，安裝斜向拉桿，張拉

6 結(jié)束語

魚腹式鋼桁梁作為一種經(jīng)典的橋型，通過采用新材料、新技術對結(jié)構(gòu)形式及節(jié)點進行了創(chuàng)新的設計?？臻g內(nèi)傾的魚腹式桁架為主要受力體系，上、下弦桿和豎桿間采用“X型”交叉鋼拉桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的交叉剛性斜腹桿連接方式，“雙Λ型”橋墩柱腳位置采用剪力釘與PBL剪力鍵相結(jié)合的鋼砼組合結(jié)構(gòu)剛性柱腳連接節(jié)點。建造了一座輕盈優(yōu)美、受力合理的新型魚腹式鋼桁梁人行天橋，體現(xiàn)了造型與結(jié)構(gòu)的有機結(jié)合。

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