某钢桁架人行天桥设计

0 引言

人行天桥是作为确保城市交通畅通有效，避免或缓解人、车争道的问题的重要交通设施之一，同时，人行天桥也是一个城市的形象，一个好的天桥设计，也可起到提升城市美观的作用，甚至成为地标性建筑。随着我国城市交通的不断发展，道路的宽度不断增加，天桥的跨度越来越大，景观要求也越来越高。以往传统梁式结构的人行天桥建设不仅需要消耗较多的建设资源，施工周期长，而且人行天桥建设经济性和安全性还需要进一步提升。钢桁架人行天桥由于跨越能力大，梁高小，易于行人上下，安装方便，近年来被各地广泛采用。下面笔者结合某一市政钢桁架人行天桥设计过程，希望可以对设计人员在对该类人行天桥设计时提供一定的参考作用。

1 工程概况

本项目天桥主桥与某互通主线桥、辅道桥平行布置，天桥跨越现状道路、城轨及互通匝道。根据现场调研，其中现状路是城市主干路、双向六车道、车道宽度23.5m、桥下行车净空不宜小于5.5m；城轨宽25m，埋深约25m，与互通主线桥交角为88°，根据城轨相关部门回函，城轨结构外边线水平保护净距不应小于10m，保护范围内不宜设置桩基。

互通主线桥、辅道桥和匝道。其中主线桥、两侧辅道桥的主跨均采用（40+65+40）m连续钢箱梁跨越现状道路及城轨。

桥梁在进行桥型方案构思时，着重考虑了桥型方案应满足总体美观，施工方便快捷，技术工艺成熟，确保工期与质量；结构受力明确，耐久实用，后期养护低廉容易，总体布置及结构跨径与跨越现状地理条件相适应，并与周边环境相协调等要求。综合考虑以上要求，人行天桥主桥拟采用1×60m钢桁架结构跨越现状道路及城轨，梯道采用现浇钢筋混凝土板梁，桥型布置如图1所示。

图1 人行天桥桥型立面图

2 桥梁结构设计

2.1 上部结构

①天桥主桥总宽5.5m，人行道净宽3.0m，主桥采用简支钢桁架结构，跨径组合为：1×60m，结构总高为2.5m~5.0m。钢桁架上弦杆采用500mm×400mm×16mm（高×宽×厚）矩形钢管，钢桁架下弦杆采用500mm×500mm×16mm（高×宽×厚）矩形钢管，腹杆采用500mm×300mm×14mm的焊接矩形截面，上横撑采用200mm×200mm×14mm的矩形钢管，下横梁采用200mm×200mm×14mm的矩形钢管，材质均为Q355C。

②梯道总宽4.5m，人行道净宽4.2m（含0.6m自行车推车道），两侧梯道均为现浇钢筋混凝土结构，梯道梁高0.5m，梯道宽4.5m，坡度为1:4，每梯阶间设置2m宽的缓步平台。

2.2 下部结构

下部结构均采用钢筋混凝土材料，楼梯及墩柱采用C40混凝土，桩基础采用C30水下混凝土。

①主桥桥墩采用花瓶墩结构，主桥桥墩厚1.3m，底部宽1.8m，承台尺寸6.25m×2.5m×2.4m，承台下设置2根桩径1.5m的钻孔灌注桩，桩基类型暂定为嵌岩桩。

②梯道桥采用桩柱式结构，桩基采用桩径1.0m钻孔灌注桩，桥墩采用0.8m圆柱形，墩柱直接与桩基连接，不设置承台，桩基类型暂定为嵌岩桩。

2.3 桥面系

主桥桥面通过6mmQ235C波形钢板与横梁焊接形成，波形钢板上铺2~3.5cm厚水泥砂浆层+2cm防滑砖铺装；梯道采用3cm厚水泥砂浆层+2cm防滑砖铺装。

3 桥梁主要结构验算分析

3.1 技术标准

①主桥宽度：0.6m（花槽）+0.5m桁架弦杆+0.15m（护栏）+3.0（人行道）+0.15m（护栏）+0.5m桁架弦杆+0.6m（花槽）＝5.5m；

②桥梁安全等级：一级，结构重要性系数1.1；

③桥下净空：不小于5.5m；

④地震烈度：设计基本地震加速度值为0.1g，地震基本烈度为6度，按7度构造设防；

⑤风荷载：主桁架构造的横向风力（横桥方向）为横向风压乘以迎风面积；天桥主桁架构造的纵向风力（顺桥方向）按横向风压的40%乘以桁架的迎风面积计算；

⑥刚度要求：为了确保钢桁架人行天桥的上部结构的安全性能，在人群活载作用下最大容许竖向挠度，桁架，拱不应超过L/800；

⑦基频要求：为避免共振，减少行人不安全感，规范规定天桥上部结构竖向基频应大于3Hz。

3.2 材料特性

人行天桥主桥钢桁架采用Q355C，桥面板采用Q235C，由《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）查得钢材主要设计指标如表1所示。

表1 钢桁架的主要材料及材料性能表

3.3 主桥桁架梁验算

3.3.1 主要参数输入

①自重。

按实际截面输入，自重系数取-1.081，程序自动计算，横隔板、横梁采用荷载加载。

②人群荷载。

人群荷载值按《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69-95）3.1.3条执行；天桥人群荷载局部加载时取5 kPa或1.5kN，整体计算时取：

W=（5-2×（60-20）÷80）×（20-1.5）/20=3.7kPa，综合考虑取4.0kPa。

③二期恒载。

桥面铺装层+栏杆=17.49kN/m，换算到3.3m宽桥面板压应力P=5.300kPa；花槽钢板、铝塑板和花槽土体荷载（单侧按照5kN/m）=10.25kN/m，加载到3.3m宽桥面板上P=3.105kPa。

④温度荷载。

温度荷载考虑整体均匀升降温：±25°。

⑤温度梯度。

日照温差的影响按《公路桥涵通用规范》考虑，正温度梯度下T1=25℃，T2=6.7℃；负温度梯度下T1=-12.5℃，T2=-3.35℃。t为100mm。

⑥支座沉降。

墩柱按每轴10mm考虑。

⑦基本风压。

依据高层建筑混凝土结构技术的规程（DBJ15-92-2013）附表B，该市基本风压800Pa，拟定W0=800Pa。

3.3.2 结构模型

图2 civil有限元模型

3.3.3 强度验算

静力分析采用的荷载组合为自重（钢桁架）+二期恒载（包含桥面铺装、栏杆及花槽）+人群荷载。结构在荷载组合作用下，各杆件的组合应力计算结果如下：

①上弦杆。

上弦杆组合正应力中最大拉应力位于端横梁处，拉应力为12.0MPa，最大压应力位于跨中位置，压应力为98.8MPa，小于容许值270MPa，满足规范要求。

②下弦杆。

下弦杆组合正应力最大拉应力位于桁架跨中位置，拉应力为76.5MPa，小于容许值270MPa，满足规范要求。

③腹杆计算。

一只不认识的黑色小虫撞到蛛网上，被粘住了。木盆捡了根小树枝，挑破蛛网，把虫子身上的蛛网拈掉，它扇动翅膀，飞走了。

腹杆组合正应力中最大拉应力位于端横梁处第二组腹杆，拉应力为48.70MPa，最大压应力端横梁处第二组腹杆处，压应力为56.13MPa，小于容许值270MPa，满足规范要求。

④横撑及横梁。

横撑及横梁组合正应力中最大拉应力为54.8MPa，最大压应力为56.4MPa，小于容许值270MPa，满足规范要求。

3.3.4 刚度验算

①挠度验算。

人群荷载作用下，桁架最大竖向位移值为19.28mm，符合限值L/800=75mm的要求。结构恒载和人群荷载组合作用下，桁架最大竖向位移值为70.67mm，不满足限制L/1600=37.5mm的要求，需要设置预拱度。

②基频要求。

仅在结构自重作用下，钢桁架的一阶竖向频率为3.696Hz，二阶竖向频率为11.558Hz，大于容许值3Hz，满足规范要求。

3.3.5 抗风验算

①横向风力。

基本风压为800Pa，根据公式W=K1·K2·K3·K4·W0，上弦杆风荷载为0.283kN/m，下弦杆风荷载为0.354kN/m，腹杆风荷载为0.212kN/m，以单元荷载加载在模型上。在风荷载作用下，计算单个横向支座反力最大值为79.6kN，在恒载作用下，单个支座竖向支反力为622.9kN，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）支座与钢板接触的摩擦系数为0.2，横向抗力为Fh=0.2*622.9=124.58kN，安全系数的为1.565，安全储备较大。

②纵向风力。

纵桥向风荷载基本风压为横向基本风压的40%，则基本风压W=800×0.4=320Pa，纵桥向支反力为211kN，剪应力为211*10（150*3240）=0.434MPa＜2.6MPa（C40混凝土限位挡块），满足要求。

3.3.6 稳定验算

①整体稳定性。

整体稳定性采用Midas civil有限元软件进行主桥弹性屈曲分析，将自重和二期恒载作为不变荷载，将人群荷载、整体升温/降温作为可变荷载，计算得到第一阶对称侧倾失稳对应稳定系数为34.2，一般而言，对于该类桥，弹性屈曲分析在恒载作为不变荷载施加，人群荷载、整体升温/降温作为可变荷载施加后，且稳定系数超过5，桥梁在实际状况下，设计荷载内不会发生整体失稳。

②局部稳定性。

杆件稳定即为局部稳定性，本次设计通过构造上控制受压杆件长细比不大于15，腹杆杆件长细比为25.1，杆件稳定系数为0.983，对杆件稳定应力影响极小，杆件应力的安全储备远大于1/0.983。

3.3.7 桥面板验算

桥面板采用6mm厚U型钢板，最大跨度为1.5m。承载能力极限组合下，其中天桥人群荷载局部加载时取5.0kPa，考虑二期恒载，桥面板有效应力为64.3MPa，小于钢材Q235C设计值190MPa；剪应力34.7MPa，远小于钢材Q235C设计值110MPa。

3.4 桥梁主要结构验算分析结论

从受力分析结果显示，桁架梁在施工阶段、成桥阶段、使用阶段、刚度验算、抗风验算及稳定性验算等结果均能满足相关规范要求。

4 施工方法

为加快施工进度和保证钢结构施工焊接质量，所有受力杆件在工厂切割下料焊接。为防止运输过程受道路空间限制，先在工厂进行构架试拼后再焊接上下弦杆及腹杆至半成品，运输半成品钢桁架及钢横梁至施工现场；搭设临时支架，吊装桁架就位后再焊接桁架成整体；最后施工桥面板、铺装、栏杆、花槽，外表面涂装等。

5 结语

钢桁架结构相比于其他结构类型在城市天桥的应用上有明显优势：①钢桁架梁高低，本工程跨径60m梁高为50cm，同等跨径钢箱梁梁高约为270cm，梁高仅为钢箱梁1/5，对于梁底净空受限的城市天桥适用性强。②跨越能力强，桁架结构对于40～60m跨径天桥，刚度及基频均能满足规范要求，钢箱梁及现浇箱梁一般只适用于跨径40m以下，40m以上箱梁为使刚度及基频满足规范要求，需要通过增加梁高等措施，从而增加工程造价，一般不建议采用。③现场施工周期短，对现状交通影响小，钢桁架现场搭设支架吊装焊接主梁，一般需要一到两周时间，相比于现浇箱梁施工3～6个月的现场施工周期大为减少。综上所述，对于用地受限，跨越能力要求较大人行天桥建议采用钢桁架结构。

本文结合某人行天桥工程特点采用钢桁架结构形式，对钢桁架人行天桥进行总结设计，提出其采用的结构构造措施及施工方法。同时对该钢桁架人行天桥主桥进行计算分析研究，计算分析表明其结构设计完全满足规范要求，可为同类人行天桥的设计提供参考案例。