空间内倾鱼腹式钢桁梁人行天桥设计与创新

摘 要：以某人行天桥为研究对象，介绍其桥型的建筑创意与结构设计，重点介绍桥梁结构创新点。主桥为单跨下承式简支空间鱼腹式变高钢桁梁结构体系，空间内倾的鱼腹式桁架为主要受力体系。上、下弦杆和竖杆间采用X型交叉钢拉杆代替传统的交叉刚性斜腹杆连接方式，首次将X型交叉钢拉杆应用于桥梁结构中。“双Λ形”桥墩柱脚位置采用剪力钉与PBL剪力键相结合的钢砼组合结构刚性柱脚连接节点。桥梁结构受力合理，造型优美，体现了造型与结构的有机结合。

关键词：鱼腹式；钢桁梁；人行天桥；结构创新；节点设计

中图分类号：U442.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0068-05

Abstract： Taking a pedestrian bridge as the research object， this paper introduces the architectural creativity and structural design of its bridge type， with a focus on the innovative points of the bridge structure. The main bridge is a single span through type simply supported space fish belly type variable height steel truss structure system， with the fish belly type truss with spatial inclination as the main load-bearing system. The X-shaped cross steel tie rods are used between the upper and lower chord rods and the vertical rods instead of the traditional cross rigid diagonal web rod connection method， and for the first time， the X-shaped cross steel tie rods are applied to bridge structures. The rigid column base connection node of the steel-concrete compositrWie6F5xqixZXqU7oahRqg==e structure， which combines shear nails and PBL shear keys， is used for the position of the "double Λ-shaped" bridge pier column base. The bridge structure has reasonable stress and beautiful shape， reflecting the organic combination of shape and structure.

Keywords： fish belly type; steel truss; footbridge; structural innovation; joint design

随着城市建设的发展，人们越来越重视高品质的公共空间。人行天桥作为城市公共建筑的一员，不仅起到连接与通行的作用，而且造型优美、与环境融合协调的人行天桥还成为了城市中一道亮丽的风景线。因此，人行天桥的造型日益成为城市建设决策者、公众与设计师关注的重点，新颖的造型也层出不穷。

本文介绍了一座造型优美的空间内倾鱼腹式钢桁梁人行天桥的设计。鱼腹式钢桁架桥的应用早已有之。例如上海市的浙江路桥，是一座跨越苏州河的鱼腹式铆接钢桁架桥，至今已有百余年的历史[1-3]。但鱼腹式钢桁架多用于中小跨径桥梁，近些年来应用较少。

随着社会需求，以及建筑材料、结构分析水平的不断发展，鱼腹式钢桁梁桥也可以推陈出新，通过结构设计的创新，也能成为轻盈优美的桥梁结构型式。

1 项目概况

某天桥上跨城市快速路，该天桥处于城市的门户位置，依照建设方要求，天桥需作为门户桥梁和地标属性进行建筑及景观设计，施工期间不得中断汇通路交通。

桥型的美学创意为城市之眼、城市之窗，内倾的鱼腹式钢桁梁桥型通过流畅的桥梁形体设计和夜景照明变换来展现美学创意，图1为桥梁效果图。桥梁形体，整体外形流畅，美学创意还原率高，方案创意呈现准确。桥梁整体景观与周边环境融合度高，且成为标志性建筑。桥梁景观形态得到广大市民的高度评价。

2 桥梁结构设计

主桥为单跨下承式简支空间鱼腹式变高钢桁架结构体系，空间内倾鱼腹式桁架为主要受力体系，桥面系通过刚性竖杆悬挂在主桁架下弦上，保障结构横向整体稳定性，主墩采用空间“双Λ形”矩形钢管混凝土墩柱形式。

两片主桁架通过在上弦杆设置的风撑，以及在下弦杆下设置的U型主、次横梁将两片主桁架横向连系成整体。在U型横梁上设置两道主纵梁和一道小纵梁，形成桥面梁格体系，上面铺设桥面钢板，形成一个空间稳定结构体系。整个单跨下承式简支钢桁架结构在顶端通过支座放置在“双V型”桥墩上，在钢桁架底部（即两道主纵梁的底部）通过支座搁置在东西两侧由坡道和平台构成的四跨连续梯坡道梁平台段的牛腿上。

桥梁主跨单跨跨径为85 m，桁架梁端各一个节间距为7.5 m，中间14个节间距为5 m。人行道宽4.25 m。东西两侧各设置一对1∶4坡道和1∶2梯道。图2为桥梁立面布置图，图3为桥梁平面布置图，图4为桥梁典型横断面图。

主桥两片主桁架立面投影最高处高度为7.6 m，每片主架的上、下弦杆线形在主桁架倾斜平面内均为圆曲线，上下弦杆截面均为600 mm×600 mm×16 mm的Q345qD焊接方钢，上下弦杆间腹杆为500 mm×30 mm×16 mm×12 mm的 Q345qD 焊接工字钢，竖杆间通过直径为 50 mm的“X型”设置的交叉钢拉杆连系，钢拉杆强度等级为PSB345。上弦杆间设置的风撑为400 mm×300 mm×10 mm×12 mm的 Q345qD焊接工字钢，下弦杆间设置的主横梁为500 mm×300 mm×10 mm×12 mm的Q345gD焊接工字钢，次横梁为300 mm×200 mm×10 mm×12 mm的Q345qD焊接工形钢，端横梁为500 mm×400 mm×12 mm×16 mm闭口Q345qD焊接矩形钢。桥面系主纵梁为500 mm×300 mm×12 mm×16 mm的Q345qD焊接T形钢，桥面板厚度为10 mm。楼梯坡道均采用分离双箱型断面，两箱型梁之间通过踏步板横向连接。

上部结构为空间内倾鱼腹式变高桁架结构。在同一平面内，上、下弦杆和竖杆间通过两道X型设置的交叉钢拉杆连系，利用中空梭形调节套使两拉杆在同一平面内交叉而互不干涉。

利用刚性箱型竖杆，将桥面系悬挂于鱼腹式主桁架下，形成稳定的横向框架体系。上弦杆间设置的工字型风撑，以及在下弦杆下设置的U型主、次横梁将两片主桁架横向连系成整体，保证了整体横向稳定性，如图5所示。

外部采用简支结构体系，配合双曲面球型减隔震支座，在强震作用下，使本结构体系具有优异的抗震性能，同时节约下部结构工程规模。

桥墩结构：主桥2个主墩均采用空间“双V型”矩形钢管混凝土墩柱形式，每片“V型”墩柱在横桥向布置在与上部主桁架相同的倾斜平面内，在纵桥向对称于各自的理论分跨线，向内倾斜角度为60°，在理论分跨线处通过一横梁连系成整体，墩柱截面尺寸为600 mm×600 mm，两片“V型”桥墩纵桥向墩底间距为12.75 m，墩底横桥向间距为12.846 m。楼梯和坡道墩柱采用钢管混凝土结构，墩柱直径为0.6 m。

桩基础及承台：主桥采用1.5 m钻孔灌注桩基础，坡道和梯道均采用直径为1.2 m的钻孔灌注桩，主桥每根“V形”桥墩的墩底均布置1根直径为1.5 m的钻孔桩，承台平面尺寸为3.6 m×3.1 m，厚度为1.5 m。坡道和梯道均采用单桩独柱形式，桩基直径1.2 m。

施工方法采用工厂预制现场焊接。主要结构体系为鱼腹式桁架，工厂完成大节段预制后，先行吊装，现场焊接合拢后，开放下行城市快速路部分交通，后吊装桥面系大节段，现场焊接成整体。

3 结构受力分析

3.1 主要设计参数

1）结构自重：钢材容重按78.5 kN/m，钢筋混凝土容重按26 kN/m取值。

2）二期恒载：栏杆2.0 kN/m，桥面铺装按5 kN/m取值。

3）风荷载（基本风压）：0.45 kN/m2（重现期100年）。

4）人群荷载：4.5 kN/m2。

5）温度作用：钢结构体系升温46.9 ℃，体系降温-40.1 ℃。

6）地震荷载： 地震基本烈度为8度，地震动峰值加速度0.20 g，抗震设防分类为乙类。

7）沉降：各墩柱按10 m沉降做最不利组合，楼梯、坡道各墩柱按5 mm沉降做最不利组合。

3.2 结构计算

大跨度人行结构，地震作用和人致振动问题均较为突出。应用有限元软件建立空间杆系模型，进行人行桥的整体受力及抗震计算。计算模型中主要受力构件的尺寸均按照实际尺寸进行模拟，图6为桥梁计算模型。

根据计算，结构强度、刚度及稳定性均满足要求。

对于大跨度的钢结构人行天桥，结构轻柔，其人致振动问题值得重点关注[4]。针对本桥开展了人致振动的响应计算与分析，分析人群在随机步行状态下的人致振动激励，验算人致振动下结构响应的加速度值和振动频率。

人群在随机步行状态下人行桥的人致振动分析结果：随机步行的计算得到该人行桥振动的竖向峰值为0.57 m/s2，小于竖向加速度限值0.678 m/s2，横向峰值加速度峰值为0.042 m/s2，小于横向加速度限值0.19 m/s2。根据计算结果可认为在设计的人群荷载作用下，若行人的步行完全随机，没有受外界影响发生同步效应，该桥的人致振动满足舒适性要求。

考虑人群荷载强迫激励下的振动响应分析结果：人行荷载竖向的平均激励频率约为2 Hz，横向的平均激励频率约为1 Hz。考虑到在该频率的荷载作用下，桥梁可能发生较大的振动，故对其进行验算。计算时，取桥梁结构阻尼比为3%，横向频率1 Hz，竖向频率2 Hz，考虑完全随机状态下，横、竖向同时加载进行计算。经过计算分析得到横向加速度峰值为0.008 m/s2，竖向加速度峰值为0.27 m/s2。在该工况下，主梁的横向和竖向加速度峰值均未超限值，舒适性满足要求。

4 设计创新

本桥设计的创新主要体现在以下几个方面：

1）桥型设计综合空间内倾鱼腹式桁架结构体系与“城市之眼”的建筑美学创意，实现了力与美的完美结合。

2）本桥以空间内倾鱼腹式桁架为主要结构体系，在传统鱼腹式桁架的基础上，首次采用了空间内倾的双片鱼腹式桁架，横桥向两片内倾桁架的上弦间通过一字形风撑连接。支点位置采用箱型大横梁，空间内倾鱼腹式桁架为主要结构体系，结构体系新颖，受力合理。

3）斜腹杆的设计创新：单榀桁架平面内“X型”设置的交叉钢拉杆应用于桥梁结构利用中空梭形调节套使两钢拉杆在同一平面内交叉而互不干涉，代替了桥梁结构中传统的交叉刚性斜腹杆连接方式，如图7所示。该设计结构受力合理，施工便捷，视觉上简洁美观。 4）鱼腹式桁架上、下弦杆刚性连接节点设计时，将上、下弦杆箱型截面的腹板在靠近支点范围合并成一块整体的腹板，实现力线的连续，视觉简洁美观，如图8所示。

5）“双Λ型”桥墩柱脚位置采用钢-混凝土组合结构的连接节点。钢结构柱脚与混凝土承台的连接常用的型式有2种：一种是预先在混凝土承台内预埋锚固架，利用锚栓进行连接的方式；另一种为直埋式。本桥的设计采用直埋式，采用剪力钉与PBL剪力键相结合的钢与混凝土柱脚连接节点设计，柱脚构造如图9所示。

5 施工工艺

桥梁施工采用工厂加工+现场少支墩吊装拼装的工艺。主要的施工步骤如下。

步骤1：施工准备；桩基、承台及墩（台）身施工；工厂内加工桥梁异形柱、钢桁架节段及楼梯钢梁、钢柱节段。

步骤2：施工临时支墩；异形柱节段运输至现场，定位安装异形柱柱腿节段，浇筑异形柱混凝土，待混凝土强度达到设计要求后安装异形柱柱帽，浇筑剩余混凝土，如图10（a）所示；定位安装楼梯柱及楼梯梁。

步骤3：钢桁架节段运输至现场，拼接为大节段；中间大节段吊装就位，如图10（b）所示。

步骤4：安装异形柱顶支座及楼梯平台支座；两侧大节段吊装就位；调节主桁线形，定位准确后焊接；安装拼接节间斜向拉杆；张拉全桥拉杆到设计要求的成桥索力，如图10（c）所示。

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步骤5：拆除临时支墩；施工栏杆、桥面铺装等附属设施；调索；竣工验收。

（a） 异形柱及临时墩施工

（b） 钢桁架中间大节段吊装

（c） 钢桁架拼装完成，安装斜向拉杆，张拉

6 结束语

鱼腹式钢桁梁作为一种经典的桥型，通过采用新材料、新技术对结构形式及节点进行了创新的设计。空间内倾的鱼腹式桁架为主要受力体系，上、下弦杆和竖杆间采用“X型”交叉钢拉杆代替传统的交叉刚性斜腹杆连接方式，“双Λ型”桥墩柱脚位置采用剪力钉与PBL剪力键相结合的钢砼组合结构刚性柱脚连接节点。建造了一座轻盈优美、受力合理的新型鱼腹式钢桁梁人行天桥，体现了造型与结构的有机结合。

参考文献：

[1] 张春雷.浙江路桥鱼腹式铆接钢桁梁大修设计[J].城市道桥与防洪，2017（1）：86-89，12.

[2] 魏明光，方亚非，宋凯.上海市浙江路桥修缮方案研究[J].上海公路，2015（4）：18-22，8.

[3] 黄晓彬.超龄服役鱼腹式钢桁梁桥大修后成桥试验分析[J].公路，2021，66（6）：122-126.

[4] 陈政清，华旭刚.人行桥的振动与动力设计[M].北京：人民交通出版社，2009.