简支下承式拱形钢桁架人行天桥结构设计

王 煜

（重庆市设计院有限公司，重庆市 400015）

0 引言

凭借跨越能力强、施工快速便捷和景观性好等优点，钢结构桥已经成为国内城市人行天桥的主流形式。而随着城市道路的不断拓宽，以及地下轨道、管网和综合管廊对桥梁布墩所造成的限制，城市人行天桥的跨度也在相应增大。重庆市渝州路道路拓宽改造工程2 号人行天桥就是一个较为典型的案例。该天桥受道路拓宽及地下轨道的影响，跨径布置为1×56 m，主梁采用简支下承式拱形钢桁架结构，在安全性、功能性和景观性之间实现了良好的平衡。

1 工程概况

重庆市渝州路道路拓宽改造工程位于重庆市渝中区和高新区，起点接大坪循环道，终点接石桥铺立交，路线全长约3.5 km，项目总投资约4.64 亿元，道路等级为城市主干道。工程将现状双向4 车道的渝州路拓宽至双向8 车道，并在部分路口增设人行天桥，以保障行人过街安全及车流畅通。

2 号人行天桥位于重庆市高新区渝州路与渝州支路交叉口附近，上跨东西走向的渝州路。桥下道路拓宽后横向布置为：13.50 m（人行道）+36.75 m（车行道，含中央分隔带）+13.75 m人行道。城市轨道交通1 号线和5 号线的3 条隧道沿渝州路走向布置于车行道和人行道下方，2 号人行天桥基础须与城市轨道交通结构保持3 m以上的水平净距，这导致2号人行天桥在车行道和部分人行道范围内无法布墩。此外，受两侧用地条件限制，2 号人行天桥结构物须设置在道路红线范围内。经现场踏勘和资料分析，该天桥需采用简支梁桥形式，主梁跨径超过50 m。

2 天桥结构选型

目前国内城市道路人行天桥主要采用钢箱梁和钢桁架梁形式。钢箱梁由于外观庞大笨重、用钢量大、主梁桥面偏高导致梯道过长等缺点，很少用于40 m跨径以上的简支天桥。而下承式钢桁架梁结构具有受力明确、跨越能力强[1]、用钢量较少、自重较轻、景观通透性好、梯道衔接与布置较为合理等优点，更适宜作为该天桥的结构形式。此外，为确保2 号人行天桥自振频率不低于规范要求的3 Hz[2]，2 号人行天桥桁架最大高度将超过6 m，而桥址处周边为景观绿地和低矮房屋，因此，为提升桥梁与周围环境的景观融合度，2 号人行天桥采用下承式拱形桁架梁，通过上弦杆的弧形曲线变化来减小天桥的视觉体量感。2 号人行天桥景观效果图见图1。

图1 2 号人行天桥景观效果图

3 天桥总体布置

2 号人行天桥主梁全长56.6 m，计算跨径1×56 m（见图2）。桥墩设置于人行道外侧，这样在确保车辆行人通行顺畅的同时，桥下空间通透宽敞，视觉效果好。主梁采用简支下承式拱形钢桁架结构，由2 片拱形桁架和横联杆件组成整体，斜腹杆采用三角形布置，最大桁高6.36 m；横向布置为：宽0.4 m桁架+宽4.5 m人行道+宽0.4 m桁架=5.3 m。在桁架梁两侧设有梯道梁，梁与梁之间设置伸缩缝断开。在每片桁架梁两端设有1 根T 形独柱墩作为支撑，桥墩基础采用直径1.5 m的独桩，桩基与轨道结构水平净距在3 m以上。

图2 2 号人行天桥立面布置示意图（单位:cm）

4 桁架杆件设计

2 号人行天桥桁架杆件采用全焊箱形截面，其横断面图见图3。2 号人行天桥的上弦杆为拱形，拱轴线跨度56 m，矢高6 m，矢跨比为6/56；上弦杆截面尺寸为400 mm×450 mm×28 mm；下弦杆截面尺寸为400 mm×550 mm×28 mm，并从跨中向两端设置0.5%的纵坡，以满足排水要求。

图3 2 号人行天桥桁架横断面图（单位:cm）

2 号人行天桥的斜腹杆截面尺寸为400 mm×300 mm×12 mm。上弦杆之间设置上横梁，截面尺寸为200 mm×250 mm×12 mm；下弦杆之间纵向交替设置下横梁和横向连接杆，截面尺寸分别为250 mm×280 mm×16 mm 和150 mm×200 mm×12 mm。

5 桁架节点设计

2 号人行天桥杆件连接节点采用无节点板设计，节点处斜腹杆的上、下侧钢板与弦杆直接抵焊，斜腹杆和弦杆的侧板采用整体切割成形，并在杆件之间采用圆弧过渡，以优化节点应力分布，而且外形简洁圆润。

2 号人行天桥桁架节点示意图见图4。

图4 2 号人行天桥桁架节点示意图（单位:cm）

此外，在弦杆内部设置加劲隔板，隔板位于腹杆钢板与弦杆抵焊处的正下方，该措施可有效减小节点处应力集中[3]。

6 结构验算

采用Midas/Civil 软件对2 号人行天桥建模计算。2 号人行天桥计算模型图见图5。

图5 2 号人行天桥计算模型图

在承载能力极限状态下，2 号人行天桥桁架杆件最大拉应力为93.1 MPa；最大压应力为131.7 MPa，小于Q355 钢材强度设计值270 MPa，满足规范要求。

在正常使用极限状态下，2 号人行天桥桁架结构由人群荷载引起的最大竖向挠度为19 mm，小于规范允许挠度值56 000/800=70 mm。由结构重力和人群荷载所产生的向下挠度为34 mm，小于规范容许值56 000/1 600=35 mm，可不设置预拱度。

根据规范要求，人行天桥上部结构竖向自振频率不应小于3 Hz。该天桥主梁1 阶竖向自振频率为3.08 Hz，满足规范要求。

7 结语

（1）天桥作为城市道路景观的一部分，在确保安全性和功能性的前提下，应注重桥梁自身景观性与周围环境的协调性，设计过程中需综合考虑桥梁结构性能、桥下道路和其他建（构）筑物布置、周边环境特点、经济性等因素。

（2）相较于钢箱梁，下承式拱形钢桁架梁杆件受力简单明确，可充分发挥材料的受力性能，梁高对梯道的布置影响小，用钢量更少，经济性更好，而且拱形结构景观效果好，与周围环境的相容协调性好，适用于跨度较大的城市人行天桥。

（3）桁架杆件节点采用无节点板设计，美观性较好，但需采取措施来减小节点处的应力集中。本次设计采用节点杆件侧板整体切割成形、杆件之间圆弧过渡、弦杆增设加劲隔板等措施，可有效减小节点处的应力集中。

（4）计算结果显示，相较于杆件承载力，该天桥竖向自振频率富余度更小，故跨度较大的拱形钢桁架天桥设计应特别关注自振频率是否满足规范要求。可通过增加跨中梁高、增大弦杆截面等方式来提高自振频率。