钢结构人行天桥结构设计简明计算全过程分析

赵 磊

（山西长治公路勘察设计院，山西 长治 046011）

0 引言

人行天桥作为在车辆繁忙和行人密集的城市区域和主干道中，保证交通畅通和行人安全，同时起到地标建筑等特殊功能的结构，受到诸多学者的大量研究。刘厚军等结合城市人行天桥的设计实践，解决了人行天桥设计中存在的一些常见问题[1]。李玉华以福建省漳州市胜利路人行天桥的设计为例，分析了整体式钢箱梁在受力方面的良好性能[2]。陈正斌通过阐述城市人行天桥的造型与景观之间的相互关系，提出能够从造型与景观角度塑造城市人行天桥提升美学效果的观点[3]。单波等提出了一种以胶合竹板为基本材料的现代竹结构人行天桥，研究了短薄胶合竹板桥的成型工艺和构件的力学性能，并通过实验验证了其合理性[4]。程晓东分析了铝合金用于人行天桥存在的问题、对策以及应用前景[5]。冯鹏等研究了FRP人行天桥的结构设计方法和设计指标，并提出了FRP人行天桥的变形限值为跨度的1/500的建议[6]。谢源生等以顺德市新德业天桥为工程背景，介绍了钢—混凝土混合箱梁人行天桥的设计与施工[7]。王士刚等通过对德国莱茵河畔威尔与法国惠宁恩之间的人行天桥设计，探讨了优秀人行天桥设计的思路和经验[8]。乔云强等结合国内外一些设计独特的人行桥案例，分析人行桥的5种美，探讨了人行桥设计阶段如何实现美观[9]。王立彬等以拉萨市林廓天桥为工程背景，进行了TMD对人行天桥振动控制的研究[10]。

本文以某人行天桥为例，详细介绍了钢结构人行天桥结构设计以及受力计算的全过程，同时也对主桥桩基础与梯道桩基础进行了分析计算。

1 工程概况与设计指标

1.1 工程概况

某人行天桥主体为钢结构。主桥采用跨度布置为（7.5+18.5+7.5）m单箱三室钢箱梁结构，梯道跨径为7.3 m+5.75 m，主梁高度为0.9 m，桥宽为3.5 m，桥面人行净宽3.2 m，梯道宽度3.5 m，梯道人行净宽3.0 m。主桥下部采用钢结构墩柱、混凝土承台和桩基础；梯道下部采用钢结构墩柱、混凝土承台和桩基础。桥型布置图如图1所示。

1.2 主要荷载取值

该天桥主要荷载设计标准如下，自重按钢容重78.5 kN/m3计算，栏杆荷载集度为0.35 kN/m，横隔板按集中力1.35 kN加载，混凝土铺装及地砖荷载集度为8.5 kN/m，广告牌荷载集度为5 kN/m，人群荷载取值为4.5 kN/m2。

2 上部结构计算分析

2.1 主桥箱梁计算

2.1.1 箱梁的几何特性

主桥箱梁的截面形式如图2所示，梁高0.9 m，单箱三室结构。其截面的几何特性如表1所示。

图1 桥型布置图（立面图）

图2 主桥箱梁截面图

表1 主桥箱梁几何特性

2.1.2 荷载效应值

主桥箱梁的一期恒载为2.4 kN/m，不安装广告牌的二期恒载为5 kN/m，安装广告牌的二期恒载为6.1 N/m，活荷载取值为7.05 kN/m。风荷载取值为竖向1.4 kN/m，横桥向1.4 kN/m。

根据《钢结构设计规范》（GB50017—2003）第3.2.1条，按照《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）第3.2条进行荷载组合，具体见表2。

表2 荷载效应组合

2.1.3 计算结果

由于本文钢结构人行天桥的长细比较大，因此对于本桥结构的验算，不仅需要验算强度是否需要满足要求，还要验算本桥结构的稳定性，经计算可知，主桥箱梁强度与稳定性均满足要求。限于篇幅，表3仅给出了主桥第2跨（主跨）的强度与稳定性验算结果。

表3 主桥箱梁强度稳定性验算表

取最不利状态进行主桥挠度验算，实际挠度与容许挠度的对比关系如图3所示。由于本桥是对称结构，第1跨和第3跨的最大挠度均为4.1 mm(L/1 820)小于容许挠度12.5 mm；主跨最大挠度为11.5 mm(L/1 610)小于容许挠度30.8 mm，均满足规范要求。

图3 主桥箱梁挠度对比图

2.2 梯道箱梁计算

2.2.1 梯道箱梁的几何特性

梯道箱梁为单箱三室结构，梁高0.9 m。梯道箱梁截面的几何特性如表4所示。

表4 梯道箱梁几何特性

2.2.2 荷载效应值

梯道箱梁的一期恒载为1.3 kN/m，不安装广告牌的二期恒载为3 kN/m，安装广告牌的二期恒载为7 N/m，活荷载取值为2 kN/m，风荷载取值为竖向1.4 kN/m，横桥向1.4 kN/m。

由于所受的荷载类型相同，所需要验算的内容也相同，因此荷载效应组合同表2。

2.2.3 计算结果

经计算，第1跨、第2跨以及第3跨梯道钢箱梁结构满足强度和稳定性要求，主跨梯道箱梁的强度稳定性验算结果如表5所示。

验算最不利状态挠度，得到第1跨最大挠度1.9 mm(L/3 884)小于容许挠度12.2 mm；第2跨最大挠度0.4 mm(L/13 062)小于容许挠度9.6 mm，均满足规范要求。

表5 主跨梯道箱梁强度稳定性验算表

3 下部结构计算分析

3.1 主桥墩柱计算

3.1.1 主桥墩柱的几何特性

主桥墩柱截面的几何特性如表6所示。

表6 主桥墩柱的几何特性

3.1.2 主桥墩柱设计内力

墩柱为压弯构件，其设计内力为轴力500 kN，平面内弯矩30 kN·m，剪力30 kN，不承受平面外的力。

3.1.3 主桥墩柱的验算结果

3.1.3.1 柱构件强度验算结果

《钢结构设计规范》（GB50017—2003）第5.2.1条强度验算的计算公式为：

相关符号含义见规范原文。

主桥墩柱构件强度计算最大应力6.13 MPa小于容许应力[f]=295.0 MPa；柱构件强度验算满足。

3.1.3.2 柱构件平面内稳定验算结果

《钢结构设计规范》（GB50017—2003）第 5.2.2条整体构件平面内稳定性计算公式为：

相关符号含义见规范原文。

柱构件平面内稳定计算最大应力为5.40 MPa小于容许应力[f]=295.0 MPa。

3.1.3.3 分肢稳定验算结果

《钢结构设计规范》（GB50017—2003）第 5.2.6条分肢平面内稳定性的计算公式同式（2），分肢平面外稳定性的计算公式为：

相关符号含义见规范原文。

对本例验算得，左肢稳定计算应力18.56 MPa小于容许应力[f]=295.0 MPa；格构柱左肢验算满足。右肢稳定计算应力21.26 MPa小于容许应力[f]=295.0 MPa；格构柱右肢验算满足。

3.1.3.4 单肢局部稳定验算

《钢结构设计规范》（GB50017—2003）第5.4.1条压弯构件局部稳定性的计算公式为：

相关符号含义见规范原文。

梯道墩柱左肢腹板计算高厚比H0/Tw=24.67小于容许高厚比33.0；左肢翼缘宽厚比B/T=6.17小于容许宽厚比10.7。右肢腹板计算高厚比H0/Tw=24.67小于容许高厚比33.0；右肢翼缘宽厚比B/T=6.17小于容许宽厚比10.7。因此单肢稳定性满足规范的要求。

3.2 楼梯墩柱计算

楼梯墩柱计算过程同主桥墩柱的计算过程一致，此处不再赘述。通过计算分析发现，楼梯墩柱设计合理，结构强度以及稳定性均符合规范要求。

3.3 桩基计算

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）第5.3.3单桩轴向受压容许承载力[Ra]计算公式为：

式中：u为桩周长；qik为桩侧摩阻力标准值；li为承台底面或局部冲刷线以下各土层厚度；AP为桩端横截面面积；m0为清底系数；λ为修正系数；hi为桩嵌入各岩层部分的厚度；fa0为桩端处承载力基本容许值；k2为允许承载力随深度的修正系数；r2为桩端以下土层的加权平均重度。代入具体数值计算得[Ra]=1 840 kN。

表7给出了主桥桩顶反力计算结果。

表7 主桥桩顶反力计算表 kN

单桩桩底最大轴向力：

计算得N=720 kN，故单桩桩底最大轴向力Nmax为720 kN小于容许承载[Ra]=1 840 kN，满足要求。另经计算，梯道桩基同样满足要求。

4 结论

本文通过一座典型钢结构人行天桥进行静力计算分析与验算，详细介绍了钢结构人行天桥结构设计以及受力计算的全过程，得出以下结论。

a）本文所设计的主箱梁和梯道箱梁强度、稳定性满足要求；主箱梁和梯道箱梁挠度满足规范的要求，不需要额外设置预拱度。

b）本文所设计的主桥墩柱和梯道墩柱强度满足承载力要求，稳定性满足规范要求。

c）该人行钢桥的成功设计表明，采用薄壁单箱多室钢箱梁结构，通过对主桥箱梁与梯道箱梁承载力、挠度、稳定性，墩柱承载力、稳定性，基础承载能力等3个方面进行详细计算分析，能够成功地解决此类钢结构人行天桥的静力计算设计问题。