三角形截面鋼管桁架人行橋設(shè)計(jì)

朱高波 童金虎

摘 要：文章提出了一種改良的鋼桁架橋型，較好地解決了小寬跨比人行橋普遍存在的結(jié)構(gòu)粗笨、單位造價(jià)偏高、易發(fā)生人致振動(dòng)等問(wèn)題。該橋主橋?yàn)楹?jiǎn)支結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨徑68.4m，橋面全寬5m，鋼結(jié)構(gòu)總重約137.7噸。文章介紹了橋梁的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力、動(dòng)力、穩(wěn)定性等方面的計(jì)算分析，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的合理性及安全性，可為同類橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：人行橋；橋梁設(shè)計(jì)；鋼管桁架；振動(dòng)

引言

隨著橋梁科技水平的不斷發(fā)展，世界范圍內(nèi)的人行橋建設(shè)發(fā)展迅速，各種造型新穎、結(jié)構(gòu)輕盈的人行橋如雨后春筍般涌現(xiàn)。由于大多數(shù)人行橋跨徑較小，橋梁剛度較大，因此人致振動(dòng)問(wèn)題并不突出。但對(duì)于較大跨徑的人行橋，人致振動(dòng)的影響將變得不可忽視。2000年英國(guó)千禧橋在開通當(dāng)日發(fā)生的過(guò)渡橫向振動(dòng)事件，在世界范圍內(nèi)引起了橋梁工程師對(duì)人行橋人致振動(dòng)問(wèn)題的廣泛關(guān)注。在我國(guó)，人行橋振動(dòng)導(dǎo)致行人不適的案例也時(shí)有發(fā)生。關(guān)于人行橋的振動(dòng)問(wèn)題，我國(guó)相關(guān)規(guī)范有“天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3Hz”的規(guī)定，但大跨徑人行橋，一般較難符合該要求。文章結(jié)合工程實(shí)際，參考?xì)W洲規(guī)范，提出了一種適用于較大跨徑的改良鋼桁架人行橋，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。

1 概述

該橋由計(jì)算跨徑為68.4m的簡(jiǎn)支鋼桁架主橋及兩側(cè)坡比為1：8的推行坡道引橋組成，橋面全寬5m，橋梁全長(zhǎng)164.83m。橋型總體布置如圖1、圖2所示。

圖1 橋型總體布置圖（立面） 圖2 橫斷面圖

主橋桁架的橫斷面呈三角形，如圖3所示。該結(jié)構(gòu)是在常規(guī)下承式鋼桁架的基礎(chǔ)上將兩片主桁的上弦桿退化成一根上弦桿，取消了上平縱聯(lián)，并將下弦桿間距適當(dāng)拉開，在增強(qiáng)了桁架橫向剛度的同時(shí)使橋面凈空滿足設(shè)計(jì)要求。相對(duì)于常規(guī)桁架，該結(jié)構(gòu)雖由于拉寬下弦桿間距而少量增加了橋面系橫梁的用鋼量，但由于取消了整個(gè)上平聯(lián)構(gòu)造，仍然從總體上降低了結(jié)構(gòu)的用鋼量。該結(jié)構(gòu)在縱向及橫向均采用穩(wěn)定的“三角形”構(gòu)造，造型簡(jiǎn)約，力學(xué)概念清晰。

圖3 橋型效果圖

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該橋按人行橋設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)荷載3.5kN/m2。主橋桁架由：上弦桿、下弦桿、腹桿、橫梁、縱梁、下弦平面拉桿等組成，桁架計(jì)算高度為8.2m，寬度為8.2m，縱向節(jié)點(diǎn)間距7.6m，主橋計(jì)算跨徑為68.4m。上、下弦桿內(nèi)灌填混凝土以提高橋梁整體剛度及鋼管節(jié)點(diǎn)承載力，管內(nèi)壁設(shè)抗剪連接件確保鋼-混結(jié)合質(zhì)量。橋面板分塊預(yù)制、吊裝，后澆濕接縫與桁架縱梁形成整體，結(jié)構(gòu)厚度為12cm。橋面板及縱梁在橫橋向設(shè)二道斷縫，將結(jié)構(gòu)分為三段，以減小橋面板混凝土收縮、徐變及日照溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。主橋桁架主要構(gòu)件均采用Q345C材質(zhì)，桁架鋼結(jié)構(gòu)總重約137.7t。構(gòu)件規(guī)格詳見(jiàn)表1。

表1 鋼桁架構(gòu)件規(guī)格表

3 結(jié)構(gòu)分析

桁架結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行整體靜力計(jì)算時(shí)，上、下弦桿按空心鋼管截面考慮，管內(nèi)混凝土作為自重荷載加載，填充混凝土對(duì)承載能力的提升作為安全儲(chǔ)備；動(dòng)力特性分析及穩(wěn)定性分析時(shí)，考慮弦桿按鋼管混凝土截面考慮，計(jì)入混凝土的質(zhì)量及剛度。

3.1 靜力計(jì)算

靜力計(jì)算考慮的荷載主要有：結(jié)構(gòu)自重、人群荷載（3.5kN/m2）、梯度溫度（陽(yáng)光直射部位的構(gòu)件均勻升溫度25度/降溫-12.5度）等。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各構(gòu)件在基本組合下的最大應(yīng)力均滿足規(guī)范[1]要求，詳見(jiàn)表2。

表2 桁架構(gòu)件應(yīng)力水平

注：上、下弦桿應(yīng)力驗(yàn)算部位的鋼管壁厚16mm，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取310N/mm2。人群荷載產(chǎn)生的撓度為17.0mmL/1600=42.8mm，應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度。

3.2 動(dòng)力特性分析

該橋的前6階振型及頻率如表3所示。

表3 前6階振型及頻率

由表3可知，第一階振型主要表現(xiàn)為橫向振動(dòng)，其頻率為2.46Hz，在橫向敏感頻率0.5～1.2Hz范圍[3]之外；第三階振型主要表現(xiàn)為豎向振動(dòng)，其頻率為2.75Hz，在豎向敏感頻率1.6～2.4Hz范圍[3]之外。因此，主橋桁架不需采取附加措施（如配置質(zhì)量調(diào)頻阻尼器等）既能滿足人行橋舒適性要求。

3.3 穩(wěn)定性分析

主橋桁架結(jié)構(gòu)輕盈，桿件細(xì)長(zhǎng)，應(yīng)進(jìn)行桿件穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)分析結(jié)果，第一階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為端腹桿失穩(wěn)，相對(duì)于人群荷載的穩(wěn)定性系數(shù)為21.2，滿足穩(wěn)定性使用要求[4]（第一類穩(wěn)定，安全系數(shù)≥4）。

4 結(jié)束語(yǔ)

該橋是一種改良的鋼桁架橋型，該橋型結(jié)構(gòu)具有建筑高度低、單位用鋼量較小、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性較理想等特點(diǎn)，較好的解決了跨度較大而寬度較窄的人行橋普遍存在的結(jié)構(gòu)粗笨、單位造價(jià)偏高、易發(fā)生人致振動(dòng)等問(wèn)題，體現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的原則，為同類橋梁設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

該橋作為鋼管桁架結(jié)構(gòu)，還應(yīng)進(jìn)行鋼管節(jié)點(diǎn)承載能力及疲勞性能的驗(yàn)算[5]，限于篇幅文章不再贅述。

參考文獻(xiàn)

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[2]城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

[3]陳政清，華旭剛.人行橋的振動(dòng)與動(dòng)力設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2009.

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[5]趙熙元，等.鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.