异形钢箱梁人行天桥结构计算分析研究

罗凯，曾武华，秦双双，黄文泉

（1.三明学院建筑工程学院，福建 三明 365004；2.福建东南设计集团市政设计院，福建 三明 365001）

0 引言

随着我国人口的快速增长及城市日新月异的发展，城市交通愈发拥挤，人行天桥的修建成了缓解交通问题的办法之一。人行天桥一般集中在繁华地带，是尤为重要的交通枢纽，对天桥的荷载受力分析至关重要[1]。王犇[2]比较了螺旋梯道与钢箱主梁不同连接形式和结构上、下部不同约束条件和结构主梁梁高不断增大的前提下，结构强度、刚度和基频的变化。胡美[3]介绍了吕梁市离石区滨河北路、凤山路人行天桥的设计方案及其结构设计，并通过空间有限元计算程序对结构受力进行了分析验算。赵磊[4]以一座典型钢结构人行天桥为例，详细介绍了钢结构人行天桥主梁、梯道梁、墩柱、桩基等各结构的设计计算。按照相应规范对荷载效应进行组合，验算了上部结构与下部结构的强度与稳定性，同时验算了桩基础的承载力。杜建成[5]对某张弦梁体系的人行天桥项目，验算了结构的强度、刚度及稳定性。然而，随着城市景观提升的需要，建设了一些异形结构钢箱梁人行天桥。由于异形结构形式特殊性，对其开展结构计算分析研究方面还比较欠缺。文章以某异形钢箱梁人行天桥为例，该桥梁线型采用流线型布置，造型仿造中国传统玉器“如意”，美观飘逸。通过曲线主桥设计，构造出如意握柄，通过环形上下匝道，构造出如意的卷云柄端，整体呈如意造型，富有中国传统文化底蕴，有着“吉祥如意”的寓意。在组合荷载作用下，运用Mi⁃das Civil有限元模型对人行天桥主桥的强度及稳定性进行验算，并对其安全性进行了分析。

1 工程概况

桥梁总长442m，其中主桥长255.5m，跨径组合为2×55m+52.5m+55m+38m，桥面最大纵坡为5.5%，横坡为0.5%。桥梁平面均处反“S”曲线段上，第一、二、四、五跨采用等截面钢箱梁结构形式，采用单箱三室钢箱梁，标准段钢箱梁顶宽9.5m，底面宽6m，梁高2.1m。第三跨采用等截面钢箱梁结构形式，采用单箱双室钢箱梁，标准段钢箱梁顶宽6m，底面宽4.25m，梁高2.1m。为适应平面曲线的变化，顶、底板纵肋采用倒T型截面，在钢箱及悬臂段内标准间距为350mm，箱梁顶板厚20mm、底板厚22mm、腹板厚16mm、T加劲肋板厚10mm。横隔板标准间距2.0m，厚12mm，支座处横隔板厚20mm。钢箱梁材料采用Q345q-D钢材，Φ25剪力钉。桥型布置图如图1所示，钢箱梁横断面图如图2、图3所示。

图1 桥型布置图

图2 9.5m宽钢箱梁

图3 6.0m宽钢箱梁

2 计算模型的建立

2.1 桥梁计算模型

利用Midas Civil软件建立该桥上部结构模型，共分为梁单元287个，节点303个。有限元模型图如图4所示。

图4 有限元模型图

2.2 荷载取值

该天桥主要荷载设计标准如下：①自重按自重系数-1.25计算；②人群荷载取值为5km/m；③天桥栏杆竖向荷载为1.2kN/m，天桥栏杆水平向外荷载为2.5kN/m；④横桥向风荷载为2.46kN/m；⑤顺桥向风荷载为0.61kN/m；⑥桥面铺装为40kN/m；⑦栏杆及装饰为10kN/m；⑧均匀温度作用按-25℃、+25℃取值。本文根据规范考虑了8种荷载效应组合进行计算分析，具体荷载效应组合情况见表1、表2。

荷载工况 表1

荷载组合列表 表2

3 结构计算及分析

3.1 支座反力

人行天桥主梁共设12个支座。每个墩柱处2个支座，均位于腹板下方如图5。

图5 主梁支座布置图

钢箱梁在荷载准永久组合包络作用下的12个支座计算结果见表3。

准永久组合下支座反力（kN） 表3

从表3中可以看出，最大支反力发生在第三跨的支座3-2处，支反力大小为5194.8kN，最小支反力发生在第一跨的支座1-2处，支反力大小为941.2kN。

3.2 钢箱梁桥内力分析

在荷载准永久组合包络作用下，钢箱梁内力包络结果如图6～图8所示。

图6 主梁准永久组合下轴力包络图（kN)

图7 主梁准永久组合下竖向弯矩包络图（kN·m)

图8 主梁准永久组合下竖向剪力包络图（kN)

从图6～图8可以看出在荷载准永久组合的作用下，钢箱梁最大轴力23084.6kN，位于第三跨钢箱梁分叉处；钢箱梁最大竖向正弯矩47044.1kN·m，位于第三跨墩固定支座处；钢箱梁最大竖向负弯矩33174.0kN·m，位于第一跨跨中处；钢箱梁最大竖向剪力4843.6kN，位于第三跨墩固定支座处。

3.3 钢箱梁应力验算

在荷载准永久组合作用下，钢箱梁内力包络结果如图9、图10所示。

图9 主梁准永久组合下顶缘正应力包络图（MPa）

图10 主梁准永久组合下底缘正应力包络图（MPa）

从图9、图10可以看出在荷载标准永久组合的作用下，主梁最大顶缘正应力143.1MPa，主梁底缘最大正应力166.3MPa，均位于第三跨钢箱梁分叉处。计算结果表明主梁体各应力情况均小于Q345钢材的容许弯曲应力（根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）16mm～40mmQ345钢材的弯曲容许应力为210MPa），满足规范要求。

3.4 结构刚度分析

在恒载+1/2人群荷载作用下，钢箱梁桥竖向变形图如图11所示。

图11 恒载+1/2人群荷载下主梁竖向变形图（mm）

从图11中可以看出，钢箱梁预拱度计算恒载+1/2人群荷载竖向挠度为78.021mm＞l/1600=34.3mm。故钢梁应设置预拱度。

在各荷载效应组合作用下，挠度结果见表4。

各荷载组合下主梁最大挠度（mm） 表4

从表4中可以看出，在基本组合2的作用下，第一跨跨中挠度值最大为90.577mm，小于L/600=91.667mm，满足规范要求。在标准组合12的作用下，第二跨跨中挠度值最大为23.877mm，小于L/600=91.667mm，满足规范要求。在基本组合2的作用下，第三跨跨中挠度值最大为78.484mm，小于L/600=87.5mm，满足规范要求。在基本组合2的作用下，第四跨跨中挠度值最大为44.029mm，小于L/600=91.667mm，满足规范要求。在基本组合4的作用下，第五跨跨中挠度值最大，为47.297mm，小于L/600=63.33mm，满足规范要求。

4 结语

近几年来，我国钢桥的设计和施工技术得到了前所未有的发展，文章通过一实例异形钢箱梁人行天桥进行验算和分析，其现有设计满足规范要求，通过验算得到如下结论。

①本文通过运用Midas Civil，在相应荷载组合下，对钢箱梁人行天桥主梁结构强度、刚度进行了验算，验算结果满足规范要求，本钢箱梁人行天桥安全可靠。

②传统理论更多依赖以往的施工经验，通过对该钢箱梁的计算，能够为类似钢结构人行天桥的结构设计与计算提供依据。

③在Midas Civil的使用过程中，它能提供构件每项验算内容的详细计算书，给出具体的规范条文依据、详细的计算过程及参数取值，并且拥有最新的公路、铁路等桥梁规范，提高了验算效率也满足设计需求。