钢结构人行桥梁的设计及结构内力的计算

黄 杰 张 强

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

钢结构由于具有自重相对较小,工厂可分段预制、现场焊接拼装的施工工艺对环境影响较小等优点,在桥梁建设中得到了广泛的应用[1-2]。但是钢结构桥梁普遍存在自振频率难以满足规范要求的情况，设计过程中，如果通过不断提高梁高或加大钢板厚度进行改变，不仅视觉效果方面不能满足要求，而且容易造成材料浪费。进行钢结构桥梁设计时，可以利用有限元数值模拟软件，根据不同梁体高度、不同结构形式多次建立有限元模型，进行计算比选，最终确定墩梁固结的结构形式，以最经济的方式减少梁高，提高桥梁自振频率。基于此，结合无锡市滨湖区某人行桥设计项目，开展钢结构桥梁的设计与结构内力的计算，以期设计出轻便实用、结构美观、施工简单，并且自振频率满足规范要求的钢结构人行桥。

1 工程概况与总体设计方案

1.1 工程概况

某桥梁设计项目位于无锡市滨湖区华清大道东侧、吴都路北侧、和畅路南侧。项目所在地块北侧入口处需规划建设售楼处及周边景观带，但需跨越秀水河与北侧和畅路连接，需设计一座桥梁横跨秀水河。

拟建场地地貌属长江三角洲冲、湖积平原。项目所在地地质情况如下：

（1）拟建场地区域地质条件稳定，无滑坡等不良地质作用和洪涝等地质灾害存在；

（2）建筑的场地类别为Ⅲ类，拟建场地填埋河塘部位为对建筑抗震不利地段，其它部位为对建筑抗震一般地段；

（3）抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，设计特征周期值为0.45s；

（4）地层土体分布较稳定，土层以粉质黏土为主，地基承载力介于120～200MPa之间。

1.2 总体设计方案

现状秀水河桥梁方向河道宽度30m。结合当地河道管理部门的要求，不得在河道中间打桩且不得破坏两侧河道挡墙。故采用单跨桥直接跨越秀水河且需预留足够安全距离避让两侧河道挡墙，确定桥梁净跨径为39m。按整体景观设计要求，梁体需轻盈单薄，且单侧设置流水幕墙，增加景观效果。

桥梁结构形式可采用简支或固结钢箱梁。经多次有限元模型计算比选，主要控制变量为竖弯基频：简支结构1.2m高度钢箱梁结构竖弯基频为2.53Hz；简支结构1.5m高度钢箱梁结构竖弯基频为3.13Hz；固结结构1.2m高度钢箱梁结构竖弯基频为3.45Hz；三种高度及结构形式强度、应力、稳定性验算均满足规范要求。在综合考虑景观、造价、安全、舒适等诸多因素的情况下，最终确定桥梁结构形式为净跨径39m固结钢箱梁，梁高1.2m。

2 桥梁结构与施工步骤设计

2.1 设计技术标准

设计荷载：按《城市人行天桥和人行地道技术规范》（CJJ 69-95）要求执行,人群荷载4.2kN/m2；桥梁设计安全等级为二级，结构重要性系数为1.0；桥梁设计基准期为100年；桥梁设计使用年限为50年；抗震要求：地震动峰值加速度0.10g，地震基本烈度7度，场地类别Ⅲ类，设计特征周期为0.45s,桥梁抗震设防分类为丁类，抗震设计方法为B类，抗震措施按7度要求。

2.2 桥梁结构设计

2.2.1 上部结构设计

主桥全宽3.6m，净宽3.13m，箱体高度为1200mm,底板采用弧线设计增加美观度，顶、底钢板厚度为20mm,腹板厚度为12mm，西侧箱梁顶板下凹预留356mm×560mm空间，设置流水幕墙及排水沟。桥梁上部结构采用1~51m固端钢箱梁，净跨径为39m。钢箱梁与台身连接部分内管C35混凝土，下设锚固锚栓与桥台固结。

2.2.2 下部结构设计

采用重力式桥台+钻孔桩基础形式，桥台采用钢筋混凝土重力式台身：箱体固结于台身内一起浇筑，台身尺寸为6.2m×4.2m×1.99m（长×宽×高）；桥台承台尺寸为7.25m×4.8m×1.5m(长×宽×厚）；桩基：主桥桥台桩基采用直径为0.8m的钻孔灌注桩。根据桥位处地质条件，均按摩擦桩设计，桩长25m。

2.2.3 桥面设计

桥面采用3cm厚石材+2cm厚水泥砂浆+4.7～7.7cm厚钢筋混凝土+1mm改性环氧树脂防腐防水层进行铺装（见图1）。

图1 桥面铺装横断面图

2.2.4 护栏设计

本桥护栏一侧为流水幕墙及流水沟，另一侧为玻璃护栏。桥梁横坡采用单向1%坡，坡向为向着流水幕墙侧。

2.3 桥梁施工步骤设计

（1）施工步骤一。首先，进行场地整平，施工桥台，设置临时支墩；同时工厂生产桥梁钢结构部分。其次，上部结构梁在工厂完成预拼装后运往现场施工。预拼装后相对尺寸核对无误后，反馈现场施工单位核对标高后再进行运输。最后，临时支墩施工完成后采用应进行支架预压，预压荷载为计算荷载的1.1倍，连续3d沉降值累计不超过3mm，且连续压7d。临时支撑建议采用直径600的钢管制作。

（2）施工步骤二。首先，承台周边用碎石回填，回填完成后拔出钢板桩。其次，用吊装架设主梁焊接，焊接完成后浇筑台身及梁体内混凝土。最后，待台身混凝土达到设计强度的90%后拆除临时支撑。

（3）施工步骤三。施工桥面系并进行桥梁装饰，然后通行。

2.4 设计要点

（1）桥梁钢箱梁与桥台设计初期采用焊接钢板固结方式，但安装空间太小，焊缝强度很难达到设计要求，后与施工单位沟通采用长锚杆锚固的形式连接，施工方便，锚杆锚固效果较好。

（2）行人步频分布在1.6~2.0Hz，结构的自振频率应不与行人的激励频率接近,避免结构出现共振或振动过大现象[3-4]，故设计过程中采用梁体与桥台基础固结的形式，整体效果经济美观，结构安全满足设计规范要求，实际运行良好，过桥舒适度高。

3 桥梁结构内力计算分析

3.1 计算模型建立

采用Civil Designer对桥梁进行设计，并以《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）和《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）为标准进行验算。进行实体建模可以较真实地反映桥梁整体变化、空间效应和局部应力传递机理，能够进行各种极限状态的受力分析及结构破坏的全过程分析[5]。桥梁上部钢结构部分采用厚板单元模拟，桥台采用实体单元模拟，钢筋拉杆采用杆单元模拟，桥台桩基础采用杆单元模拟并模拟了土侧刚度。边界条件：桩基础模拟侧向刚度及竖向刚度。

图2 桥梁数值计算模型

3.2 计算阶段与参数取值

3.2.1 数值计算阶段划分

计算模型根据实际施工阶段进行模拟，共有四个施工阶段：

（1）第一段梁体架设阶段：设置临时支撑，架设第一段梁体，施工天数7.0d；

（2）梁体整体安装拆除临时支撑阶段：设置桩基、承台、桥台，安装第二、三段梁体，拆除临时支撑，施工天数7.0d；

（3）施工桥面系阶段：激活桥面荷载系，施工天数7.0d；

（4）收缩徐变阶段，施工天数3652d。

3.2.2 数值计算荷载设计

计算模型共考虑7种荷载工况：

（1）结构自重：钢材Q345qD，76.98kN/m3；C35混凝土，25kN/m3；

（2）栏杆荷载：左侧1kN/m；

（3）水景幕墙：右侧5kN/m；

（4）桥面铺装荷载：12kN/m；

（5）温度荷载效应：考虑整体升温25℃，整体降温20℃；梯度温度按桥面板升降温7℃计算；

（6）承台混凝土：钢箱梁与桥台连接部分灌入C35混凝土；

（7）风荷载：按JTG/T3360-01-2018《公路桥梁抗风设计规范》取用，本桥按5kN/m。

移动荷载按《城市人行天桥和人行地道技术规范》（CJJ 69-95）要求执行,人群荷载4.2kN/m2。

3.3 计算结果分析

3.3.1 梁体应力值验算

模型计算基本组合下腹板应力值51.704 MPa≤160.000MPa，满足《公路钢结构桥梁设计规范》规定拉/压弯构件腹板应力验算要求，梁体正应力值154.780 MPa≤fd=275.000MPa，满足拉/压弯构件翼缘板弯曲正应力验算要求。

3.3.2 桥梁整体运行基频验算

一阶竖弯振型（见图3），竖弯基频为3.45Hz,满足《城市人行天桥和人行地道技术规范》（CJJ 69-95）规定不小于3Hz的要求。

图3 一阶竖弯振型

3.3.3 挠度验算及预拱度

按《公路钢结构桥梁设计规范》第4.2.3条规定，计算竖向挠度时，应按结构力学的方法并应采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值，频遇值系数为1.0。根据计算可知，挠度验算满足要求，预拱度值为37.613mm。

表1 挠度验算及预拱度

3.3.4 构造验算

根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）规定，需计算加劲肋纵横向尺寸及刚度。经计算该钢箱梁顶、底板纵横向加劲肋尺寸及刚度计算均满足规范要求，顶板悬臂段纵、横向加劲肋尺寸及刚度均满足规范要求。

3.3.5 计算结果总结

该桥梁钢箱梁构造设计、截面应力、桥梁振动频率、桥台基础验算等各项指标均满足规范设计要求，结构安全可靠。

4 结束语

在无锡市滨湖区某人行桥设计项目中，在明确工程情况和总体设计方案的情况下，根据设计技术标准，进行了桥梁结构和施工步骤设计，分析了设计要点；通过采用数值计算软件，建立了桥梁结构内力计算模型，对数值计算的阶段进行了科学划分，分析了数值计算的结果。经过计算可知：桥梁钢箱梁截面应力、桥梁振动频率、桥台基础验算等各项指标均满足规范设计要求。严格按照设计的施工步骤开展施工，使得该桥得以顺利完成建设。目前，该桥已投入使用，造型优美且运行良好。