某钢桁架人行天桥的计算分析
2024-06-04危玉蓉熊诚李静陈玉龙梁庆学
危玉蓉 熊诚 李静 陈玉龙 梁庆学
摘要：某人行天桥的主桥为简支钢桁架结构，桥梁平面布置为H形。通过MIDAS CIVIL软件对钢桁架梁、钢平台及连梁进行计算分析，计算分析结果表明其结构设计满足规范要求，還介绍了天桥设计要点，可为类似工程设计提供参考。
关键词：人行天桥； 钢桁架梁； 结构计算； 特征值
中图分类号：U448.11文献标志码：A
0引言
随着我国城市快速交通的不断发展，高速公路，轨道交通、城市快速路的网络系统逐步完善，人行过街系统也在不断发展。按规范要求，当行人与非机动车穿越快速路或有封闭要求的道路时，必须采用立体交叉的方式［1］。其中，人行天桥发展最快，应用最广。在一些城市主干路和快速路中由于中间没有设置绿化带，桥梁没有在跨中设置墩柱的空间，因此对人行天桥跨越能力的要求也越来越高。而钢桁架结构具有承载能力大、刚度大、跨越能力大、造型美观、行人舒适感强等特点［2］，使得钢桁架人行天桥被广泛应用。
1工程概况
某快速化改造工程项目为宜昌市的重点建设项目，主线道路等级为城市快速路，主线桥梁宽度为18～25.5 m，双向4～6车道，设计车速为60 km/h，主辅共面段长875.3 m，红线宽度26～56 m。
本文结合项目的项目特点，经分析研讨在主辅共面的交叉路口拟兴建一座人行天桥，对该人行天桥进行方案比选后，推荐天桥方案主桥为简支钢桁架结构，桥梁平面布置为H形，如图1、图2。该处主线双向六车道，辅道双向4车道。道路横断面布置为41 m。
2主桥结构设计
2.1上部结构
天桥主桥为简支钢桁架结构，采用“工厂节段预制、现场焊接拼装”的方法施工。计算跨径为55.55 m，钢桁架全长56 m，钢桁架宽5 m，高5.45 m。上下弦杆均采用箱型截面，截面宽度400 mm，高度为450 mm，板厚为16～18 mm。北侧两端分别接长14.669 m和17.037 m钢箱梁连梁，南侧两端分别接长19.457 m和12.681 m钢箱梁连梁，钢箱梁宽3.5 m，高1.2 m。
2.2下部结构
主梁桥墩采用钢平台接直径为1.2 m圆形钢柱，2.5 m×2.5 m×2 m承台接直径2根1.5 m钻孔灌注桩。连梁与钢平台固结。
3荷载计算
3.1恒载计算
（1）自重：钢结构78.5 kN/m3；
（2）桥面铺装：8 mm厚钢板及C30压模防水混凝土（均厚59.25 mm），纵桥向二期恒载（含雨棚、栏杆）按16.0 kN/m计算;
（3）基础不均匀沉降： 5 mm；
3.2活载计算
（1）人群荷载：跨度L=56 m，w=［5-2×（56-20/80）］×（20-4.2/2）/20=3.67 kPa；
（2）温度荷载：整体升降温±25 ℃；
（3）风荷载：v=27 m/s，风压为W0=v2/1.6=0.46 kPa。
W=K1·K2·K3·K4·W0=0.85×0.8×1.3×0.8×0.46=0.325 kPa
上弦杆风荷载为0.325×0.45=0.15 kN/m，下弦杆风荷载为0.325×0.45=0.15 kN/m。
4结构计算与分析
使用MIDAS/Civil软件建立三维有限元模型，对人行天桥进行验算。
4.1钢桁架梁计算分析
钢桁架结构分为上弦杆、下弦杆、腹杆，均采用梁单元模拟，如图3。
4.1.1钢桁架应力分析
按《公路桥涵钢结构规范》验算上部结构强度、稳定性［3］。
经计算，承载能力极限状态基本组合效应比偶然组合效应大，故以下只列出基本组合的结果。
工程结构危玉蓉， 熊诚， 李静， 等： 某钢桁架人行天桥的计算分析
4.1.1.1弦杆应力
由图4、图5可以看出，荷载组合作用下上、下弦杆的最大拉应力为103.3 MPa，最大压应力为67.1 MPa，均小于JTG D64-2015《公路钢结构桥涵设计规范》规定的容许应力［σ］=270 MPa。
4.1.1.2腹杆应力
由上图6可以看出，荷载组合作用腹杆的最大拉应力为67.6 MPa，最大压应力为44.4 MPa，均小于JTG D64-2015《公路钢结构桥涵设计规范》规定的容许应力［σ］=270 MPa。
4.1.1.3下横梁应力
由图7、图8可以看出，荷载组合作用下横梁的最大拉应力为94.4 MPa，上横杆最大压应力为3.3 MPa，均小于JTG D64-2015《公路钢结构桥涵设计规范》规定的容许应力［σ］=270 MPa。
4.1.2钢桁架梁挠度分析
4.1.2.1恒载挠度
全桥落架后自重、二期恒载引起的挠度见图9～图11（单位：mm）。
4.1.2.2人群荷载作用下挠度
由图11可以看出，人群荷载下最大挠度为12 mm
4.1.3钢桁架梁特征值分析
结构特征值分析采用子空间迭代法，二期恒载通过 Midas程序中荷载转化为质量功能，将二期恒载转化为节点质量计算。该桥在设计过程中，对比了3种不同截面的下横梁的特征值，如图12、表1所示。
经综合比选后，下横梁选择截面2（I形），3阶竖向自振频率f=3.045 Hz＞3 Hz，见表1，满足CJJ 69-1996《城市人行天桥与人行地道技术规范》的要求［4］。随着振型阶数的增大，人行天桥的自振频率也不断增大。
4.2连梁应力分析
主梁桥墩采用钢平台接钢柱，连梁与钢平台固结，如图13所示。
4.2.1连梁正应力
由图14、图15可以看出，连梁最大压应力62.0 MPa、最大拉压力49.5 MPa均小于210 MPa，满足规范要求。
4.2.2连梁剪应力
由图16可以看出，连梁最大剪应力18.6 MPa小于120 MPa，满足规范要求。
4.2.3连梁位移
由图17可以看出，连梁恒载和活载组合下连梁最大位移5.4 mm：5.4/20707=1/3835<1/1600，则连梁结构不需设置预拱度。
5设计要点
（1）节点处立面内外钢板采用整体板切割成节点板，不仅外观效果更好，还能改善桁架节点受力。
（2）大跨徑简支钢桁架结构设计时，影响钢桁架竖向自振频率的主要因素之一是桁架的高度。设计时应选择合理的钢桁架高度。
（3）大跨径简支钢桁架桁高取值都比较高，通常约为跨径的1/10，节点间距可以取得较大，以增加天桥的通透性，轻盈感。
（4）为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3 Hz，若结构竖向自振频率不满足要求，可通过以下措施来调整设计：①调整天桥结构特性参数（断面高度、杆件规格、天桥质量）等，增大结构刚度来调整。②在结构上增设减震装置，减少结构的振动效应，通常采用TMD（调频质量阻尼器）减震器。
本桥是通过调整下横梁的规格尺寸，使钢桁架竖向自振频率满足规范要求。
6结论
通过对钢桁架梁、钢平台及连梁进行建模计算分析，分析结果显示：
（1）在成桥使用阶段，主梁各截面应力分布良好，满足规范要求。
（2）结构在自重和人群荷载下的变形均满足使用要求。
本文针对该人行天桥进行了计算分析，总结出了天桥设计要点，希望能为今后类似工程设计提供参考。
参考文献
［1］城市道路交通工程项目规范： GB 55011-2021［S］.
［2］刘晓捷，邵忠民，乔―宇.钢桁架结构在人行天桥中的应用［J］.市政技术，2012（6）.
［3］公路钢结构桥涵设计规范： JTG D64-2015［S］.
［4］城市人行天桥与人行地道技术规范： CJJ69-1995［S］.
［作者简介］危玉蓉（1985—），女，硕士，高级工程师，主要从事道路桥梁设计工作。
