铝合金人行天桥设计分析要点

程子健，杜晓燕

（苏州市慧杰工程设计有限公司，江苏苏州 215011）

0 前言

铝合金材料以其较高的弹性模量和良好的防腐性能在土木行业中得到越来越广泛的应用。1933年，美国第一次将铝合金应用在桥梁中。目前在欧美等发达国家铝合金桥梁已经发展得比较成熟，但是国内的铝合金桥梁研究还处于起步阶段，2006年建成的杭州市庆春路铝合金人行天桥是目前中国第一座全铝合金桥梁。

铝合金材料与钢材有着较大的材料特性差异：首先是其材料的密度，铝合金因密度小而自重小；其次是材料的弹性模量与钢相比较小(虽然其极限强度和Q235相当)。因此，铝合金桥在施工使用过程中存在诸多问题。例如，杭州市庆春路人行天桥是国内第一座铝合金桥梁，存在问题如下：在满人荷载作用下挠度过大，自振频率和荷载作用下的频率相比变化较大。本文主要针对上述方面进行研究，分析出现这些现象的本质原因，以及提出解决问题的方案。本文依据杭州复兴路人行天桥建立模型，利用ANSYS有限元软件辅助分析计算，以期能为将来我国设计建设更多的铝合金桥作参考和借鉴。

1 桥梁概况

杭州市复兴路人行天桥为三跨铝合金梁，跨径布置为26.64 m+19 m+15.4 m，桥梁平面布置见图1。

桥面宽度4.8 m，其中通行桥面宽4.5 m（见图2）。天桥桥跨采用中承式铝制主桁结构，桥面离主桁上弦杆1.265 m。主桁之间采用横向桁架连接，横向桁架上弦为桥面板的支承结构，桥面与上弦之间采用焊接互相连接。桥面为双层铝合金板结构，在上下板之间用铝制竖向以及斜腹板联系。图3为桥面板结构图。

计算分析的范围主要为上部结构,本次仅针对最大跨径26.64 m简支梁进行分析，其余同理。通过详细的计算分析，验算结构的挠度、自振频率。

（1）挠度验算：人群荷载作用下最大挠度不大于跨度的1/400。

（2）振动特性：计算结构的自振频率，保证桥梁在1 kN/m2活载下竖向振动频率大于3.0 Hz。

2 计算模型

采用通用程序ANSYS对结构进行弹塑性极限强度的验算，计算采用beam188单元模拟各上、下弦杆及竖斜腹杆，上下弦及斜竖腹杆按全截面取值，桥面采用等厚桥面板。26.64 m简支梁计算采用的有限元模型如图4所示。根据相关资料，极限承载力分析中采用了图5所示的应力-应变关系。

3 分析计算

3.1 结构自振频率验算结果

自振频率按是否考虑人群荷载分两种情况：（1）恒载下的振动频率；

（2）恒载+1.0 kN/m2的人群荷载(桥面宽度按4.8 m计算)。

计算结果显示，在恒载下竖向振动自振频率为3.91 Hz，在恒载+1.0 kN/m2的人群荷载下自振频率为3.88 Hz。结果如表1所示，两种情形的振型图分别参见图6、图7。结果表明，两种状态下结构的竖向自振频率均超过了3.0 Hz，结构的自振频率能满足规范要求。

3.2 结构刚度验算

图1 杭州复兴路人行天桥桥型平面布置图

图2 主桥横断面图（单位：cm）

图3 桥面板结构图

图4 弹塑性极限强度的有限元模型

图5 铝材的应力应变本构关系

表1 自振频率结果

在活载5 kN/m2作用下，跨中最大挠度为49.50 mm，桁架下弦的挠度为46.29 mm，为跨度的1/434和1/470，满足要求。活载作用下的结构变形见图8所示。

4 结论

根据以上计算分析：

（1）铝合金人行天桥的震动频率变化幅度较钢材略大，但是人行荷载作用下可满足安全要求；

图6 恒载作用下的结构振型图

图7 恒载+1.0 kN/m2活载作用下的结构振型图

图8 26.64 m简支梁满载作用下的结构变形图(单位：mm)

（2）铝合金材料的弹性模量小，挠度大，但是在跨径不大的情况下，由于铝合金材料自重小，挠度反而在安全范围内，可满足使用要求。

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