跨多股道钢箱梁天桥的结构设计

沈耀海

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 桥梁设计院，北京 102600)

1 工程概述

本工程属于改建铁路包兰线增建第二线某新建车站的一部分工程，跨越既有3股道和新建3股道并与铁路线路正交.站台2和站台3的中间位置在天桥两侧分别设有梯道、自动扶梯和电梯，其中梯道和自动扶梯分别通过与天桥连接的牛腿支撑搭接在天桥上，不再另设墩.主桥采用跨度(26.7+31.5) m的连续梁，并在远离站房侧设长度为3.5 m的悬臂端，全长为62.1 m，桥面宽度为8.4 m.桥梁靠近站房一端通过板式橡胶支座与站房预留牛腿直接连接，中墩和边墩分别设在站台2和站台3的中间，如图1所示.

图1 人行天桥平面图Fig.1 Plane graph of pedestrian bridge

2 结构设计

2.1 结构选型

由于进站天桥横跨既有3股道，为了使既有线正常运营、减少上部结构施工对铁路行车安全的影响，梁体宜采用工厂分段制造、现场吊装、工地拼焊的施工方式.根据桥下铁路净空要求，梁底至轨面距离大于8.0 m，而站房与轨面的高差为9.23 m，由此得知天桥梁高不得大于1.23 m，使其截面非常“扁平”.无论是施工要求还是截面要求，混凝土截面已经不再适用.与此同时，钢结构具有强度高、塑性韧性好、抗震性能好以及便于加工、运输、组装等一系列的优点，被广泛应用于各类人行天桥的设计中[1].本设计中天桥的主梁拟采用钢结构箱型截面.

人行天桥主桥钢箱梁等主要受力构件采用Q345D钢材，次要构件及附属结构采用Q235B钢材.钢箱梁截面设计为单箱双室直腹板两侧加悬臂梁的形式，见图2.钢箱梁全长为62.1 m，梁高1.2 m，桥面宽8.4 m，底板外缘宽6.1 m，顶底板板厚为14 mm，腹板及支点隔板板厚为12 mm.为方便检修安装，支点隔板设有椭圆形进人洞.顶板、底板、腹板及悬臂板均设置水平和纵向加劲肋，厚度均为10 mm.

图2 钢箱梁标准断面图Fig.2 The standard section of steel box girder

由于天桥两侧梯道和自动扶梯均直接搭接在钢梁上，可在箱梁两侧腹板上焊接箱型牛腿进行连接.此时，钢箱梁顶板应在相应位置开豁口取消悬臂端，并在箱梁内侧设置加劲肋来分散梯道和自动扶梯传来的集中荷载.

为了尽量减少桥墩及基础施工对既有线运营的影响并考虑到施工的方便，基础采用直径1.2 m的钻孔灌注桩，墩柱采用直径1 m的钢管混凝土双柱式桥墩，其钢管外径为1.0 m，壁厚为14 mm，内灌C40混凝土.

2.2 建模与计算

由于进站天桥结构的特殊性，结构设计可参照《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)[2]、《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—1995)[3]和《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2—2005)[4]等设计规范进行.作用于钢箱梁的恒载包括结构自重、基础沉降影响及桥面二期荷载，其中，桥面二期荷载包括桥面铺装、人行道栏杆、搭接于箱梁上的梯道及自动扶梯作用力等重量.活载为人群荷载，另外还要考虑风荷载、系统升降温以及地震作用.

在对桥梁构件进行检算时，荷载组合仍可按照TB 10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》的3种组合进行，其组合方式为：

(1)主力：自重+二期恒载+支座不均匀沉降+人群荷载.

(2)主力+附加力：

①主力+温度变化+墩身纵向风力;

②主力+温度变化+墩身横向风力+梁体横向风力.

(3)主力+特殊荷载：

①自重+二期恒载+人群荷载+纵向地震作用;

②自重+二期恒载+人群荷载+横向地震作用.

全桥采用空间有限元软件Midas Civil 计算，按梁单元建模，共离散为112个单元(如图3所示).其中，墩底约束效按固结考虑，主梁与中墩固结，与边墩采用竖向支撑模拟板式橡胶支座.设计桥梁地区抗震设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0.2 g，地震动反应谱特征周期Tg=0.35 s，通过反应谱分析进行抗震计算，可得到结构的纵、横向地震作用数值.

另外，钢箱梁面在荷载作用下会产生剪力滞效应，可依据相关规定对钢箱梁翼板进行有效宽度折减.本设计参考英国标准《钢桥、混凝土桥及结合桥》(BS 5400)和日本标准《道路桥示方书·同解说(Ⅱ钢桥篇)》，分别计算了箱梁不同位置如顶板翼缘内侧、底板翼缘内侧及顶板翼缘外侧的有效宽度，并取其中较小者作为最终的有效宽度.

图3 人行天桥有限元模型Fig.3 The finite element model of pedestrian bridge

通过分析，可知钢箱梁在各种荷载工况下的应力水平均满足规范要求.其中，主梁上下缘的最大拉/压应力如表1所示，均位于主梁与中墩连接处截面，此处亦是天桥两侧梯道和自动扶梯集中荷载作用处，所以有必要在此位置的箱梁内侧设置更多加劲肋来分散应力.

表1 不同荷载组合下主梁最大应力表Tab.1 The maximum stress in different load combination MPa

2.3 竖向自振频率分析

为了避免进站乘客过桥时产生共振引起不安全感，《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—1995)中规定人行天桥的竖向自振频率不小于3.0 Hz[3].仍然采用Midas Civil软件对结构进行自振模态分析，最后得出结构的前三阶自振模态频率、周期与振型特点，见表2.由表2可以看出，第三阶振型为竖向弯曲，其自振频率为3.144 Hz，满足规范的要求.

表2 人行天桥结构前三阶自振模态频率、周期与振型特点Tab.2 The top three frequencies, periods and the mode of vibrations of pedestrian bridge

分析可知，竖向自振频率最大值出现在主梁31.5 m梁段的跨中，假如将中墩与主梁的连接方式改为板式橡胶支座，此处的竖向自振频率则变为2.936 Hz，不再满足规范要求，所以竖向自振频率为本天桥设计的控制条件.

根据以往的设计经验，在竖向自振频率不满足要求的时候，通过加大梁高可以有效提高结构的竖向自振频率，但是本设计受铁路净空条件的限制，加大梁高无法实现.已知影响天桥竖向自振频率的主要因素是跨中截面的综合刚度，如果将中墩与梁体固结就可以提高截面刚度，进而达到提高结构竖向自振频率的目的.在中墩与主梁固结实际施工时，可将墩柱顶板与钢梁底板焊接，分别在连接处墩柱和箱梁内焊接一定数目的钩筋和剪力钉并浇注混凝土进行加强.

2.4 安装设计

在架设钢箱梁时，可采用在工厂分段预制焊接完成后再运送至现场吊装对接的施工方式，这样就可以尽量减少桥梁施工对既有铁路的影响，充分发挥钢箱梁施工方面的优势.为便于拼装拆卸，临时支墩采用碗扣式脚手架，并对临时支架地基进行相应的处理.为确保临时支墩不侵入既有铁路限界，可将整片钢梁分为4个梁段吊装，从站房侧开始，每段长度依次为12.2 m、18.55 m、19.95 m和11.4 m，其中最大吊装重量为55 t.在各梁段吊装就位并现场焊接完成构成主体后，方可继续进行梯道及其他附属结构的施工.

3 结语

(1)钢结构箱梁具有高强度、跨越能力强以及便于加工组装等一系列的优点，在设计、施工条件受限制较多的情况下仍能满足要求，在各类人行天桥的应用中优势非常明显；

(2)对于大跨度的钢箱梁人行天桥结构设计来说，竖向自振周期往往成为主要控制因素，在不加高梁高的情况下，将中墩与箱梁固结，可以有效地提高箱梁的截面刚度，满足竖向自振周期的要求.

参考文献：

[1] 孙少军.武昌火车站进站天桥钢箱梁结构设计[J].中华建设,2007(6):46-47.

[2] TB 10002.1—2005.铁路桥涵设计基本规范[S].2005.

[3] CJJ 69—1995.城市人行天桥与人行地道技术规范[S].1999.

[4] TB 10002.2—2005.铁路桥梁钢结构设计规范[S].2005.