交叉斜柱钢结构人行景观栈桥的结构设计

熊金波

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430010)

人行栈桥作为城市建筑的一部分，多应用在景区、湿地公园以跨越河道、湖泊等天然障碍物，栈桥不仅给人们提供了交通、观景、休憩的便利，同时建筑本身也是景观的一部分。

不同于常规桥梁，景区的人行栈桥跨度不大，供游客通行，活荷载虽不大，但对于景观要求较高，常常展现出非常规的形态。

本文以黄石园博会园内高空人行栈桥为例，该项目在保障结构安全、适用的前提条件下，较好地实现了建筑意图，达到了较好的景观效果。

1 工程概况

本项目位于湖北黄石市大冶湖生态新区核心区园博会园内，是连接主展馆建筑与大冶湖堤的重要通道，同时也具有供游人休憩、活动、远眺园区的多种功能。栈桥总面积为1 400 m2，全长410 m，宽度为3 m，高度3～7 m，跨越车行道路部分架空高度5 m，部分区域扩宽作为休息平台。栈桥整体采用灰白色钢结构桥身，桥面铺设户外竹木地板及预制耐候钢金属格板，栈桥剖面图见图1。

图1 栈桥剖面图(单位：mm)

2 结构设计

栈桥平面呈折线布置，全长410 m，上部结构采用钢框架斜柱体系,设结构缝将上部结构分为7段，每段长35～72 m不等，栈桥桥面横向宽度3 m、柱跨8 m，主、次梁在平面上形成三角形框架。栈桥桥墩柱采用直径300 mm、壁厚20 mm的圆钢管柱。钢管柱分3种形式：单直柱、交叉斜柱和Y形柱。梁与梁之间采用栓焊连接，梁与柱之间直接焊接。基础采用钻孔灌注桩。

2.1 设计技术指标

1) 设计基准期。50年。

2) 环境类别。II类。

3) 设计安全等级。二级。

4) 基本荷载。面层荷载1.5 kN/m2，人群荷载5.0 kN/m2。

5) 基本风压。0.35 kN/m2。

6) 基本雪压。0.35 kN/m2。

7) 抗震设防烈度。6度。

8) 抗震设防类别。标准设防类(丙类)。

9) 温差。温升+20.75 ℃,温降-26.5 ℃。

2.2 桥面设计

桥面横向净宽3 m，两侧设置不锈钢护栏，桥面面层厚度6 cm，包括5 cm厚樟子松防腐木+1 cm厚预制耐候钢金属格子板，面层下设置顶标高相同的14号槽钢，槽钢横向间距0.5 m。

2.3 上部结构设计

上部主体结构采用钢框架结构，由边主梁、横梁及斜向次梁组成，主、次梁在平面上形成三角形框架，横梁间距4 m，边主梁纵向跨度8 m。边主梁采用焊接H形钢(H400×300×10×14)，横梁及次梁采用焊接H形钢(H300×200×8×10)，钢梁材质均采用Q345B。横梁与边主梁栓焊连接，斜向次梁与主梁螺栓连接。

2.4 墩柱设计

为满足景观效果要求，墩柱采用非常规的形式，有以下几种类型：Y形柱、交叉斜柱、竖向柱，其中交叉斜柱的两分枝柱中轴线不在同一平面。墩柱采用钢管柱，直径300 mm、壁厚20 mm，材质Q345B。

2.5 节点设计

1) 边主梁与钢横梁连接节点。边柱梁与钢横梁栓焊连接，翼缘板采用坡口焊接连接，腹板采用高强螺栓连接[1]，边主梁与钢横梁连接节点见图2。

图2 边主梁与横梁栓焊连接节点(单位：mm)

2) 边主梁与次梁连接节点。边主梁与次梁腹板采用高强螺栓连接，边主梁与次梁连接节点见图3。

3) 梁柱连接节点。钢柱与钢主梁间设置柱端板，钢梁与端板焊接连接。梁柱连接节点见图4。

图3 边主梁与次梁栓接连接节点(单位：mm)

图4 梁柱连接节点(单位：mm)

4) Y形柱柱脚节点。Y形柱采用刚性外露柱脚，通过设置底板、加劲肋和锚栓与基础连接，柱脚锚栓设置定位支架，Y形柱脚节点见图5。

图5 Y形柱脚节点(单位：mm)

5) 交叉斜柱柱脚节点。交叉斜柱柱脚采用半球节点，内设加劲板以提高刚度，交叉斜柱柱脚节点见图6。

图6 交叉斜柱型柱脚节点(单位：mm)

3 上部结构计算模型及计算结果分析

本次设计上部结构内力分析采用midas Civil 8.3.2版软件，结构模型为空间梁单元模型，共350个节点，638个单元，杆件尺寸根据实际情况模拟，结构计算模型见图7。

图7 计算模型等轴视图

计算荷载包括桥面铺装、结构自重、人群荷载、整体温差、风荷载等，作用效应及其组合按《公路桥涵设计通用规范》[2]选取，人群荷载按《城市人行天桥与人行地道技术规范》[3]同时参考《建筑结构荷载规范》[4]选取。对钢主梁、次梁、钢柱的强度、刚度、稳定性进行了验算。

3.1 强度验算

交叉斜柱在竖向荷载作用下会引起钢主梁产生水平分力，部分钢主梁受压、部分钢主梁受拉，钢主梁受压时按压弯构件验算，计算长细比λX=80.6，梁的整体稳定系数Фb=0.68，弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数ФX=0.86。

分别按弯矩最大、轴力最大、剪力最大工况验算了钢梁的抗弯强度、抗剪强度。其中，最大压力194 kN，最大拉力400 kN，最大剪力133 kN。钢梁最大弯曲应力σ梁=130 MPa，小于f=310 MPa；最大剪应力τma=65 MPa，小于fv=180 MPa；钢梁整体稳定性计算应力为201 MPa，小于f=310 MPa。

分别按轴向压力最大、弯矩最大工况验算了钢柱的抗压强度、抗弯强度。钢柱最大轴向压力351 kN，最大弯矩194 kN。截面正应力σ=109 MPa，小于f=295 MPa，压弯稳定应力σX=162 MPa，小于f=295 MPa。

计算结果表明，交叉斜柱在受压时钢主梁受拉，且轴拉力是钢主梁设计控制性内力，本桥钢主梁最大轴拉力达400 kN，应予以重视。本桥最大墩高8 m，墩柱直径0.3 m，计算长细比λ=80.6，压弯稳定验算为墩柱设计的，控制性工况，稳定计算最大应力σX=162 MPa,满足设计规范要求[5]。

3.2 刚度验算

人群荷载计算的主梁最大竖向挠度f=6.6 mm，小于规范规定的挠度限值L/600=13 mm。

3.3 屈曲分析

本桥结构比较柔，对成桥活荷载下的桥梁进行静力屈曲分析是必要的。屈曲计算结果表明：结构一阶模态为面外失稳，其稳定安全系数为16.1，稳定安全系数大于4，满足规范要求。

4 结语

桥梁的结构形式丰富多样，不拘一格。本设计将平面框架体系主梁、交叉斜向钢管柱、半球型节点等技术措施应用于某钢结构栈道桥的建设，本桥的结构设计、计算要点等方法，可为同类桥梁建设提供参考和借鉴。