无竖杆桁架天桥斜杆布置探讨

杨立坤

摘要：由于近些年城市交通发展迅速，城市道路等级、道路宽度也逐渐提高，行人过街与道路交通顺畅的矛盾也凸显出来。在行人过街需求较高的地方设置天桥便是可行的解决办法。本文对无竖杆钢桁架天桥的斜杆布置进行分析，对几种斜杆布置形式进行对比，分析这些布置形式对天桥竖向基频、应力及位移的影响，为日后类似工程的设计提供借鉴。

关键词：天桥 桁架 斜杆 基频 受力 位移

由于近些年城市交通发展迅速，城市道路建设蓬勃发展，道路宽度越来越宽，设计车速也逐渐提高，行人过街与道路交通顺畅的矛盾越来越明显。为缓解城市道路拥堵，提高交通安全保障，修建天桥便成了首要选择。城市天桥除了实用性外，景观需求通常也比较高，钢桁架天桥轻盈通透、美观大方，越来越受到亲睐。桁架天桥的杆件布置，直接影响到天桥受力性能，现结合实际工程对无竖杆桁架天桥的斜杆布置进行对比分析。

本天桥上跨双向10车道的城市主干道，中央分隔带不设墩柱，天桥总长60.95m，上下弦杆中心距3.6m，主桁采用全焊连接方式的无竖杆三角形桁架，节点间距为6.7m。上下弦杆之间设置8对“人”字型斜杆。下平联采用纵、横梁加钢桥面板体系，为了提高人行天桥的横向刚度，避免人群横向产生过大的动力效应，上平联采用K型横撑体系。主桁下部结构采用矩形钢柱，柱底采用销铰接形式，以减小因为温度效应对桩基的影响。整体布置如下图：

图一：小箱梁中墩断面

为对比分析，保持桁高、桁宽、各杆件尺寸及边界条件不变，调整节点间距，即调整“人”字斜杆数量，建立4种模型，各模型信息如下：

表一：分析模型信息

节点间距 斜杆对数 斜杆水平倾角 图示

模型1 8.9333 6 38

模型2 6.7000 8 47

模型3 5.3600 10 54

模型4 4.4667 12 59

模型全部采用MIDAS2015计算，所有杆件使用梁单元，杆件截面按照实际输入，自重、二期和人群荷载按实际选取，计算模型如下（限于篇幅只给出一个）：

图二：计算模型

经计算分析，结果如下：

表二：计算结果汇总

模型1 模型2 模型3 模型4

竖向基频 3.0038 3.0249 2.9929 2.9431

上弦杆压应力 111.68 109.56 109.85 111.04

下弦杆拉应力 105.12 93.48 88.41 86.5

斜杆拉应力 89.73 79.19 73.39 69.7

斜杆压应力 71.86 69.86 69.11 68.61

竖向位移 71.64 70.17 70.88 72.32

一、 竖向基频趋势分析

图表一：竖向基频趋势

由上表可以发现，斜杆水平倾角在45度以下时，竖向基频随倾角增大而增大，斜杆倾角在45度以上时，竖向基频随倾角增大而减小，但频率变化并不剧烈。

二、 杆件应力趋势分析

图表二：杆件应力趋势

由上表可以发现，上弦杆压应力对于斜杆布置不敏感，4种模型最大差距不过2MPa。下弦杆拉应力随节点间距减小明显降低。节点间距从8.93米变化到4.47米，下悬杆拉应力从105.1MPa降低到86.5MPa。斜杆的拉压应力随斜杆水平倾角的增大明显降低。斜杆的倾角从度变化到59度，斜杆拉应力从89.7MPa降低到69.7MPa，斜杆压应力从71.9MPa降低到68.6MPa。结论：斜杆的布置会显著影响下弦杆及斜杆的受力。

三、 竖向位移趋势的分析

图表三：竖向位移趋势

由上表可以发现，竖向位移趋势恰好与竖向基频趋势相反，斜杆水平倾角在45度以下时，竖向位移随倾角增大而减小，斜杆倾角在45度以上时，竖向位移随倾角增大而增大。

四、 分析总结

竖向基频和竖向位移都与桥梁的一个属性相关——刚度，竖向基频与刚度正相关，竖向位移与刚度负相关，竖向基频随斜杆布置的变化趋势与竖向位移随斜杆的变化趋势相反，则说明斜杆的布置会影响到全桥的刚度：斜杆水平倾角在45度以下时，全桥刚度随倾角增大而增大，相应的竖向基频会升高，竖向位移会减小。斜杆倾角在45度以上时，全桥刚度随倾角增大而减小，相应的竖向基频会降低，竖向位移会增大。斜杆倾角45度左右时全桥刚度最大。斜杆的布置会影响到下弦杆及斜杆的受力：下弦杆和斜杆的应力随斜杆水平倾角的增大而单向降低。这种趋势告诉我们：

1、 尽量不要使斜杆倾角小于45度。在斜杆倾角45度以下时，全桥刚度更小，竖向基频更低，竖向位移更大，下弦杆和斜杆的应力更大，这显然不是我们想要的。

2、 斜杆倾角45度以上时，斜杆倾角的确定要综合选取。这时倾角增大可以优化下悬杆及斜杆的受力，但也会减小全桥的刚度、增加腹杆材料用量，此时便需要我们综合桥梁的经济与美观，找到全橋刚度与杆件受力的完美结合点，设计出更安全、更经济、更美观的桁架天桥。

参考文献：

【1】 刘晓捷 邵忠民 乔宇. 钢桁架结构在人行天桥中的应用 北京： 北京市市政专业设计院股份公司，2012.

【2】刘尚伦 陈雷. 人行天桥钢桁架与节点有限元分析

.北京，2011.