大跨径椭圆形空间变高钢桁架人行天桥关键技术

2017-06-26俞雷

城市道桥与防洪 2017年6期

关键词：铸钢人行天桥主墩

俞雷

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

大跨径椭圆形空间变高钢桁架人行天桥关键技术

俞雷

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

以(80+102+88+110)m椭圆形空间变高钢桁架人行天桥设计为背景，结合总体布置及结构型式，对采用的支座布置、人致振动控制、节点构造、抗风及抗震等关键技术进行介绍。

空间变高桁架；T M D；黏滞流体阻尼器；铸钢节点

0 引言

随着社会发展，市政交通设施特别是人行桥的形式将不限于满足功能要求，其桥型同时要求满足较高的美观及舒适需求，更是城市景观的需要；另外城市发展进程的加快，已完成的各种交通设施错综复杂，在复杂条件下修建天桥受到很大的限制。

不同于常规小跨径钢箱梁人行天桥，大跨度椭圆形空间变高钢桁架人行天桥在支座布置、人致振动控制、节点构造、抗风及抗震设计等方面均有鲜明的特点。鉴于此，本文结合工程实例——上海市某人行天桥工程，对该类桥梁设计过程中的关键技术进行阐述和探讨。

1 工程概况

1.1 总体布置

由于快速路地道、地铁隧道、主干路与次干路交叉等条件的限制，天桥仅能在交叉口4个象限内设置主墩，使得跨度最终确定为（80+102+88+ 110）m。椭圆形人行天桥满足人行过交叉口的功能要求，同时空间变高钢桁架结构满足建筑造型需要。人行天桥总体布置如图1所示。

人行天桥平面呈椭圆形布置，椭圆长轴约158.9 m，短轴约106.5 m。主桥跨径布置为（80+ 102+88+110）m=380 m，跨径布置不均匀。从改善内力分布，均衡支座反力角度出发，桥面结构短跨采用压型钢板组合混凝土板，长跨采用钢桥面板。

图1 人行天桥总体布置

主桥桥宽6.3 m（净宽6 m），天桥的建筑外形采用了空间结构型式，底面为桥面板，顶棚由钛锌面板覆盖，两侧为高低错落的桁架，桁架高度在3.15～7.85 m。钢梁横断面和钢桁架典型横断面分别如图2和图3所示。

图2 桥梁横断面

图3 钢桁架典型横断面布置

1.2 结构设计

空间桁架下弦采用箱形截面杆件，上弦、腹杆均采用圆管。桁架主要杆件尺寸表见表1。

表1 桁架主要杆件尺寸表

桥墩采用箱形钢筋混凝土结构，顶面设转换托板以支撑钢桁架下弦对应的5个节点；其分别对应5个支座，支座采用侧向弹性球形可调高支座（其中椭圆外侧中间支座仅提供水平刚度，不提供竖向支撑）；结构在恒载工况下支座不出现拉力。主墩部位透视图如图4所示。

图4 主墩部位透视图

主墩基础采用钻孔灌注桩，每个桥墩承台下设置11根钻孔灌注桩。为提高结构整体刚度，抵抗水平荷载较大的水平力，桩基采用变桩径方案，上部20 m直径为1.2 m，其余范围直径为0.85 m，采用桩端注浆措施改善桩端承载特性。

2 设计关键技术

2.1 支座布置

主桥为椭圆形布置，跨径不均匀，且主梁为空间变桁高结构，在整体温差及梯度温度场作用下，结构在水平方向上的变形不对称。主墩支座的水平约束采用双向释放方式，支座的任意方向均可滑动，并加水平向弹簧刚度（k=20 k N/c m）以均匀释放温度内力。水平向释放示意图和主墩支座平面布置如图5和图6所示。

图5 水平向释放示意图

图6 主墩支座平面布置

2.2 人致振动控制

2.2.1 国内外规范及本桥设计标准

目前我国桥梁设计规范《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69—1995）中有相关条文：“为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3 H z。”该条文主要针对小跨径天桥，对于大跨径桥梁很难满足。

人致振动是大跨度人行桥的一个突出问题，人桥共振将显著加大人行桥的动力时程响应以致超过人体的舒适度指标，因此针对如此大跨的天桥，人行桥进行动力时程响应分析并据此进行振动控制是十分必要的。

国外在结构振动舒适度方面较为领先。英国规范B S5400和欧盟规范E u r o C o d e采用峰值加速度指标标准，国际标准化组织I S O 10137和瑞典规范B r o2004中则采用均方根加速度指标标准，而国际标准化组织I S O 10137条和瑞典规范B r o2004中的有效加速度(即均方根加速度)与峰值加速度之间近似成倍数关系，后者大约为前者的1.4倍。各规范之间的加速度指标比较表见表2。

从比较结果可以看出，4个规范规定的加速度指标标准均比较接近，另外只有国际标准化组织I S O规定了静止行人的舒适度指标值，并明确其应降为行人运动中舒适度指标值的一半。

结合国外规范限值，该工程人致振动的设计标准为：竖向加速度峰值不大于0.5 m/s2，侧向加速度峰值不大于0.15m/s2。

表2 各规范之间的加速度指标比较表

2.2.2 减振技术措施

该桥采用设置调谐质量阻尼器（T M D）和黏滞阻尼器以减小人行激励下的振动响应。在每跨跨中区域设置7个竖向T M D，3个水平向T M D；T M D总重量占上部结构总重量的1.1%；在每个桥墩处施加了7个横向双耳环式非线性黏滞流体阻尼器。T M D及黏滞流体阻尼器和主墩墩顶阻尼器布置平面如图7和图8所示。

图7 TMD及黏滞流体阻尼器

图8 主墩墩顶阻尼器布置平面

通过理论计算，结构竖向第一阶自振频率为1.92 H z，水平向第一阶自振频率为1.0 H z。采取减振措施后，跨中竖向加速度最大值由4.0 m/s2降为0.392 m/s2，支座处最大横向加速度由0.86 m/s2降为0.036 m/s2，均满足设计标准。

由于结构的刚度、阻尼的实际值与理论值总会出现差别，T M D的频率和阻尼比参数应现场可调，以便应对实际条件发生变化导致主结构的固有频率改变。设备提供商通过深化设计、制作及调试后运用于本工程的减振系统应达到既定的减振控制指标。

2.3 弦杆、腹杆节点构造

2.3.1 节点构造

该工程天桥结构型式为空间钢桁架型式，由上、下弦杆与腹杆连接而成，空间交汇杆件较多，节点构造较复杂。

2.3.1.1 下弦节点

下弦节点为箱形钢梁与圆腹杆相贯连接，在钢梁内部再加插片以保证节点的刚度。这种节点型式在以往的空间结构工程中得到了广泛运用。下弦节点及内部构造如图9所示。

图9 下弦节点及内部构造

2.3.1.2 上弦节点

上弦节点由于各杆件基本不在规则平面内，导致构造工艺较为复杂。通过对钢管相贯、钢管插板、铸钢节点多方案比选，最终确定采用铸钢节点方案。

采用铸钢节点在节点构造及焊接难度上优势明显。由于当前技术的进步，采用铸钢节点已经是一项比较成熟的工艺；在制作环节上进行严格质量控制，其节点的受力性能及施工难易程度远优于其他节点型式。上弦节点及透视图如图10所示。

图10 上弦节点及透视图

2.3.2 节点分析

选取受力最不利的铸钢节点进行空间计算分析，节点细部建模采用A N S Y S软件中的S ol id185实体单元。铸钢节点实体分析M is e s应力云图如图11所示。

图11 铸钢节点实体分析Mises应力云图

根据计算结果，节点在最不利工况下最大M is e s应力为135 MPa。在圆管相交处有应力集中区，但应力水平低于所用材料（Q420钢）的屈服应力的0.6倍，满足设计要求。

2.3.3 节点试验

铸钢节点目前无成熟设计规范，除了进行详细的有限元计算以外，还须借助试验手段对节点的受力特点、应力分布等情况进行深入研究。为了防止尺寸效应对试验结果产生影响，节点试验采用足尺比例。试验结果表明，铸钢节点试件受力性能良好、安全可靠。铸钢节点试件及实验照片如图12所示。

图12 铸钢节点试件及实验照片

2.4 抗风设计

该桥为复杂的三维空间结构，天桥顶部、底部面板、玻璃护栏以及桥墩之间会产生强烈的气流干扰，且天桥顶棚造型复杂，刚度较低，对风荷载比较敏感，现有风荷载规范较难确定风荷载参数。因此，有必要借助风洞技术获得该结构所受风荷载及风振响应，从而为结构设计和顶棚设计提供较为科学、准确的依据。刚体模型风洞实验照片如图13所示。