復(fù)雜環(huán)境條件下城市人行天橋設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)處理措施探討

關(guān)清杰，張忠偉

（中國市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，吉林 長春 130021）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，私家車及公共交通車輛日益增多，為提高城市路網(wǎng)的通行能力，確保行人過街安全、方便，城市過街設(shè)施的建設(shè)日益增多。其中，主要過街設(shè)施就是人行天橋。城市人行天橋可以實(shí)現(xiàn)行人在道路上方通過，車輛在下方行駛，避免相互干擾，即保證了行人安全，也加快了車輛通行速度，避免交通堵塞。因此，越來越多的城市開始重視城市天橋的建設(shè)。本文以長春市新民廣場過街天橋?yàn)楸尘?，探討?fù)雜外部環(huán)境條件下城市人行天橋設(shè)計(jì)方法，以及結(jié)構(gòu)處理的一些措施[1-11]。

1 工程概況

新民廣場地處長春市繁華地帶，該廣場環(huán)形交叉口連接延安大街、工農(nóng)大路、新民大街、自由大路、工農(nóng)大路。這5條道路均為長春市的主干路，人流量、車流量均很大。廣場南側(cè)的南湖公園占地總面積為222萬m2，為全國性的市內(nèi)公園，節(jié)假日客游量很大。西南側(cè)的歐亞新生活商場是集購物、體驗(yàn)、娛樂、餐飲、教育、智能、觀光于一體的購物商場，人流量很大。有大量居民或游客需要往返于歐亞新生活商場與南湖公園之間，同時(shí)延安大街的車流量也很大，不僅經(jīng)常造成交通堵塞，而且行人也很不安全，新民廣場過街天橋就是在此背景下被提出來建設(shè)的。新民廣場過街天橋起點(diǎn)為延安大街南湖側(cè)綠化帶，終點(diǎn)為歐亞新生活商場二樓，其橋位見圖1所示。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼桁連續(xù)梁橋，上下弦桿采用箱形截面，高40 cm，寬25 cm，腹桿也采用箱形截面，高20 cm，寬25 cm。下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土柱式墩，托梁加樁的“門”字形基礎(chǔ)。綜合考慮跨越道路、地下管線、人防、地下室等構(gòu)筑物后，該天橋孔跨布置為37.8 m+19.79 m+15.95 m=73.54 m，最大跨徑為37.8 m，該跨跨越延安大街；中跨為19.79 m，該跨跨越商場內(nèi)道路；最后一跨為懸臂跨，跨度為15.95 m，端部接歐亞新生活購物廣場二樓，滿足游客可以不出購物商場，直接抵達(dá)南湖公園的需求。桁架總高度為3.8 m，總寬度6.3 m，通行凈寬為5.3 m，如圖2所示。3號(hào)墩處在保持桁架上下弦桿連續(xù)的同時(shí)，取消斜桿，增設(shè)豎桿，設(shè)行人出入口，滿足商場以外人員的過街需求。1號(hào)墩處橋面距離地面高度為9.12 m，高差較大，在1號(hào)墩處設(shè)置上下梯道的同時(shí)，設(shè)置一部自動(dòng)扶梯，主要滿足老人、小孩及殘疾人的通行需求。為給人行創(chuàng)造更加舒適的通行環(huán)境，在桁架的頂部搭設(shè)玻璃雨棚。

圖1 天橋地理位置圖

圖2 橋型布置圖(單位：cm)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）人群荷載：根據(jù)人行橋設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，梁、桁架、拱及其他大跨結(jié)構(gòu)，全橋加載時(shí)取人群荷載為3.5 kPa；單跨加載時(shí)取最不利荷載為4.3 kPa。

（2）恒載：一期恒載：鋼材 ρ＝7.85×103kg/m3；二期恒載：主要包括玻璃雨棚、橋面鋪裝、欄桿、LED屏幕等，共計(jì)14.7 kN/m。

（3）溫度梯度：考慮混凝土橋面板影響，在日照作用下鋼橋下弦桿與上部桿件之間存在溫差。計(jì)算取正負(fù)5℃溫差。

（4）風(fēng)載：取百年一遇，長春地區(qū)基本風(fēng)速35.4 m/s。

（5）雪荷載：取百年一遇，雪荷載0.5 kPa。

（6）基礎(chǔ)沉降差：計(jì)算取橋墩基礎(chǔ)沉降差10 mm，按照最不利沉降差組合進(jìn)行計(jì)算。

（7）天橋上部結(jié)構(gòu)懸臂端由人群荷載計(jì)算的最大豎向撓度容許值為L/300。桁架跨中最大豎向撓度容許值為L/500。

（8）為了避免共振，同時(shí)減少行人的不安全感，人行天橋上部結(jié)構(gòu)豎向一階主振型頻率控制大于3 Hz。

（9）將主橋恒載和活載均作為可變量基數(shù)值，一階屈曲穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)不小于4.0。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及處理措施

3.1 降低天橋上部結(jié)構(gòu)建筑高度的結(jié)構(gòu)形式研究

天橋作為一種過街設(shè)施，其一般為城市主要建筑形成后，根據(jù)后期交通發(fā)展需求，為確保行人過街安全、方便而修建的建筑。該類建筑一般的設(shè)計(jì)原則是：施工快速，避免對(duì)其下方道路的交通產(chǎn)生較長時(shí)間的干擾；最好能結(jié)合景觀設(shè)計(jì)，使其成為一道城市的亮麗風(fēng)景；要與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，避免給人產(chǎn)生突兀的感覺；方便行人過街，為行人提供理想、舒適的通行環(huán)境。長春地處東北，冬季氣候寒冷，夏季炎熱，為增加通行舒適性，因此在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)增加了雨棚設(shè)計(jì)，為行人提供更理想的通行條件。人行天橋的上部結(jié)構(gòu)形式種類很多。結(jié)合天橋的設(shè)計(jì)原則，該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)，分別考慮了混凝土連續(xù)梁、鋼箱梁及鋼桁架梁三種設(shè)計(jì)方案。

（1）方案一：上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高為1.9 m，雨棚的凈高為2.7 m，主梁加雨棚的高度為4.6 m。由于為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，施工周期比較長。

（2）方案二：上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁，梁高為2 m，雨棚的凈高同樣取2.7 m，主梁加雨棚的高度為4.7 m。鋼箱梁可在工廠加工制造，分節(jié)段運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場安裝，施工周期相對(duì)較短。

（3）方案三：上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼桁梁，雨棚的凈高仍按2.7 m設(shè)計(jì)，可在桁架頂端架設(shè)雨棚，減少了另設(shè)雨棚支架的高度，整體高度為3.8 m，如圖3所示。桁架桿件可采用工廠制造，現(xiàn)場拼裝，施工周期相對(duì)較短。

圖3 下承式桁架立面圖(單位：cm)

綜上所述，在需要設(shè)置雨篷的人行天橋橋梁中，上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼桁梁可降低橋梁的整體建筑高度，避免兩側(cè)梯道設(shè)置過高，不利于行人上下，同時(shí)較小的建筑高度，可使橋梁結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境更好地融合。桁架桿件可在工廠加工制造，構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場安裝，靈活方便，同時(shí)施工速度也較快。桁架結(jié)構(gòu)剛度大，跨越能力強(qiáng)，通透性好；同時(shí)桁架結(jié)構(gòu)與雨棚結(jié)合為整體，景觀效果較好。通過以上分析比較，上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼桁梁橋相對(duì)于方案一與方案二優(yōu)勢(shì)非常明顯。

3.2 管線等地下設(shè)施的避讓措施

該項(xiàng)目地處長春市老城區(qū)繁華地帶，新建地下管線及既有的管線錯(cuò)綜復(fù)雜，地下大量分布著雨水管、污水管、給水管、消防水管、軍用光纖、移動(dòng)光纖、聯(lián)通光纖。該處還有地下人防工程及商場的地下室，且橋梁建成后不能占用市政人行道的空間，同時(shí)需要躲避地面上既有樹木，保證綠化。因此，該橋的樁位布置異常困難。該橋1號(hào)墩設(shè)計(jì)位置為原有綠帶，其下分布有給水管、軍用光纖及移動(dòng)光纖。在1號(hào)墩湖西路側(cè)梯道除了包含新民廣場側(cè)的地下管線，同時(shí)在綠化帶處地面上還長有三顆直徑1 m左右的楊樹。在2號(hào)、3號(hào)墩處，地下除了含有雨水管、污水管、給水管、消防水管、移動(dòng)光纖、聯(lián)通光纖等新建的管線，還有抗日戰(zhàn)爭時(shí)日本人修建的地下人防工程，且由于年代久遠(yuǎn)資料不全，人防工程中已積滿水，無法準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)橋梁孔徑布置，以及樁位布置都帶來了很大的考驗(yàn)。

基礎(chǔ)遇見地下設(shè)施，通常選擇避讓的方式，即調(diào)整跨度，使橋墩避開地下設(shè)施，或者是改變基礎(chǔ)形式。最后選擇何種方式，要根據(jù)項(xiàng)目的具體條件進(jìn)行確定。根據(jù)該工程基礎(chǔ)需要避讓的地下管線及結(jié)構(gòu)眾多的現(xiàn)狀，且人防工程是沿橋軸線走的，采用普通基礎(chǔ)形式根本無法對(duì)人防工程進(jìn)行避讓。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路是首先根據(jù)地上條件確定橋梁孔跨，根據(jù)孔跨確定橋墩的位置，再結(jié)合橋墩位置及地下管線、人防、地下室等位置，設(shè)計(jì)了樁基加托梁的門架式基礎(chǔ)，樁徑為1.4 m，托梁厚度為1.5 m，用于支撐橋墩，橋墩直徑為1 m（見圖4）。該種基礎(chǔ)形式成功地避讓了地下的各種設(shè)施。最后一跨梁端因受商場地下室限制，無法布置橋梁墩臺(tái)。因此，該跨不布置墩臺(tái)，采用懸臂跨與商場二樓樓板直接相接。為保護(hù)城市綠化，盡量不砍伐既有樹木的原則，梯道可設(shè)置成折線形梯，成功躲避了地下管線及地上的樹木，從而保證了人行天橋的順利完成。

圖4 門架式基礎(chǔ)布置圖(單位：m)

3.3 下承式桁架中間設(shè)置梯道出入口的結(jié)構(gòu)型式研究

鋼桁架結(jié)構(gòu)主要由上弦桿、下弦桿及腹桿組成，在桁架的中間設(shè)置梯道人員出入口時(shí)，出入口凈寬及凈高的要求通常與斜腹桿發(fā)生沖突，因此大部分鋼桁架橋只是在兩端設(shè)置進(jìn)出口，而不在桁架中間設(shè)置進(jìn)出口與梯道連接。該橋因?yàn)榭卓绮贾檬芨鞣N管線的限制，且同時(shí)需要滿足行人通行的需求，必需在3號(hào)墩的位置處設(shè)置一梯道，并在主梁上留出人員出入口。若在3號(hào)墩處將主梁斷開，采用兩段梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，因在商場側(cè)無法設(shè)置橋墩，3號(hào)墩與商場之間為懸臂端，也需要在3號(hào)墩頂桁架結(jié)構(gòu)連續(xù)不能斷開，故此方法無法實(shí)現(xiàn)。

綜合研究后，該橋在3號(hào)墩位置處采取了在梯道出入口處截?cái)嘈备箺U，采用了兩根豎向支點(diǎn)加強(qiáng)腹桿設(shè)計(jì)，而保持上弦桿及下弦桿連續(xù)，同時(shí)在3號(hào)墩處增設(shè)一個(gè)支承點(diǎn)，由原來與2號(hào)墩相似的單支點(diǎn)調(diào)整成順橋向雙支點(diǎn)橋墩，來保證主梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及受力合理性（見圖5）。通過這種局部的調(diào)整，解決了梯道出入口與斜腹桿沖突的問題，滿足了結(jié)構(gòu)出入口接懸臂梁的設(shè)計(jì)要求。采用兩根豎向加強(qiáng)腹桿，配合雙支座設(shè)計(jì)的出入口，應(yīng)該注意雙支座中在遠(yuǎn)離懸臂端的另一支座（3 a）中，會(huì)產(chǎn)生拉力（見圖6），因此應(yīng)根據(jù)拉壓荷載在該處設(shè)置拉壓支座。

圖5 桁架中間出入口結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

圖6 結(jié)構(gòu)支反力圖（單位：kN）

3.4 懸臂梁端與商場二樓樓板間無縫連接措施

橋梁懸臂端直接與商場二樓樓板相接，由于連接處地面以下為商場地下室，無法單獨(dú)設(shè)立橋墩，且商場該處也沒橫梁可供搭接，故商場側(cè)橋垮只能采用懸臂梁設(shè)計(jì)。橋梁懸臂端與樓板連接處，除了有順橋向的位移，由于荷載的變化，還會(huì)產(chǎn)生垂直上下的位移及轉(zhuǎn)角，因此該處橋梁與樓板的連接也是該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)的伸縮縫有模數(shù)式伸縮縫、梳齒板式伸縮縫等，這些伸縮裝置一般都只能適應(yīng)順橋向位移及轉(zhuǎn)角的變化，而不能滿足橋梁懸臂端存在豎向位移的情況，因此普通橋梁伸縮縫并不適合作為該橋懸臂端的伸縮縫。

通過計(jì)算，在人群荷載作用下，該橋懸臂端的最大豎向向上位移為1.7 mm，向下位移為19.3 mm；轉(zhuǎn)角為0.057°。溫度荷載作用下最大水平位移開口量為18 mm，閉口量為12.4 mm。經(jīng)過多方面的比較研究，同時(shí)以建筑專業(yè)的樓面嵌平型變形縫進(jìn)行參考，對(duì)該橋的伸縮縫進(jìn)行了設(shè)計(jì)。用?8的塑料脹錨螺栓把鋁合金基座分別固定在天橋懸臂端和商場的樓板上，在鋁合金基座上設(shè)置熱塑性橡膠條，通過橡膠條的變形既滿足了橋梁順橋向的位移要求，同時(shí)也滿足了懸臂端轉(zhuǎn)角及豎向位移變形的要求，伸縮縫的構(gòu)造見圖7所示。

圖7 懸臂端伸縮縫構(gòu)造圖（單位：cm）

3.5 室外人行天橋自動(dòng)扶梯冬季防護(hù)措施

東北地區(qū)由于冬季氣候寒冷，并且有雨雪結(jié)冰等問題，無法保障自動(dòng)扶梯的運(yùn)行安全。因此，以前設(shè)計(jì)的人行天橋都沒有配備自動(dòng)扶梯。該項(xiàng)目為增加行人過天橋的舒適性，特別是滿足老人、兒童和殘疾人過街需求，設(shè)計(jì)了東北地區(qū)第一座帶自動(dòng)扶梯的人行天橋。人行天橋的自動(dòng)扶梯在室外，且無法采暖，如何保證運(yùn)行部件不被凍結(jié)引起事故，保證電梯正常運(yùn)行是首要解決的問題。為解決這一技術(shù)難題，通過深入研究，最后通過在電梯上加設(shè)全封閉的防護(hù)棚，起到保溫的作用，從而保證自動(dòng)扶梯內(nèi)部的溫度；另外一個(gè)措施是在電梯的頂部和梯腳處設(shè)置兩處電加熱裝置，從而保證電梯在冬季運(yùn)行過程中，上下端的潤滑油能以液態(tài)的形式在電梯運(yùn)行中起到潤滑的作用，從而保證電梯在冬季的正常動(dòng)行。華北地區(qū)（北京、天津等）有的人行天橋配備有自動(dòng)扶梯，自動(dòng)扶梯也設(shè)置了電加熱裝置，但其加熱裝置大多不需要其與扶梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，而東北地區(qū)天橋自動(dòng)扶梯需要電加熱裝置與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，且電加熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)更大功率。

4 天橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用MIDAS CIVIL V8.3.2軟件，建立空間桿系單元模型（見圖8）。計(jì)算模型采用空間梁單元模擬鋼桁架，其中結(jié)點(diǎn)數(shù)量為354個(gè)，單元數(shù)量為505個(gè)。支點(diǎn)采用鉸接，橋面板及加勁板采用均布荷載形式加在相應(yīng)單元位置，其余有關(guān)計(jì)算參數(shù)和假定以現(xiàn)行國家有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程為依據(jù)。

圖8 計(jì)算模型

4.2 屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算

將主橋恒載和活載均作為可變量基數(shù)值，主橋一階屈曲模態(tài)為主橋的整體橫向面外失穩(wěn)，一階屈曲穩(wěn)定系數(shù)為14.787＞4.0，見圖9所示，滿足規(guī)范要求。

圖9 一階屈曲模態(tài)

4.3 撓度計(jì)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D 64-2015）對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的變形進(jìn)行控制，天橋上部結(jié)構(gòu)懸臂端由人群荷載計(jì)算的最大豎向撓度容許值為L/300。桁架跨中最大豎向撓度容許值為L/500。

根據(jù)MIDAS CIVIL計(jì)算結(jié)果，見圖10所示，懸臂端由人群荷載產(chǎn)生的豎向撓度為19.3 mm＜16 000/300=53.3（mm），第一跨跨中由人群荷載產(chǎn)生的豎向撓度為15.8 mm＜37800/500=75.6（mm），故結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

圖10 人群荷載撓度包絡(luò)圖（單位：mm）

4.4 自振頻率驗(yàn)算

為了避免共振，減少行人的不安全感，人行天橋上部結(jié)構(gòu)豎向一階主振型頻率控制其不應(yīng)小于3 Hz。

通過MIDAS CIVIL計(jì)算，得到鋼桁架橋第一階豎向自振頻率為3.65 Hz＞3 Hz，見圖11所示，自振頻率滿足規(guī)范要求。

圖11 一階豎向振型

4.5 強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015），按基本組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，由圖12可知，在應(yīng)力分析結(jié)果中，所有桿件中最大拉應(yīng)力為166 MPa，最大壓應(yīng)力為184 MPa，各主要桿件應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

圖12 桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖（單位：MPa）

5 天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展展望

天橋并不是一件孤立的公共建筑，而是和整個(gè)城市系統(tǒng)的交通效率、步行友好相關(guān)，需要在城市尺度的參照上組織研發(fā)，不應(yīng)只注重搞那些“新、奇、特”的結(jié)構(gòu)。在天橋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)“以人為本”，并注重朝以下幾個(gè)方面發(fā)展。

（1）城市天橋應(yīng)是沒有存在感卻又滿足需求的，要求結(jié)構(gòu)建筑高度低，通透性好，與周圍環(huán)境相融合。

（2）好的天橋能降低步行難度，最好能人性化到讓人像“平面過街”一樣容易，在利用好周圍地形條件，降低天橋高度的同時(shí)，如現(xiàn)在越來越多天橋配備自動(dòng)扶梯，升降電梯等。

（3）方便行人的同時(shí)，也考慮自行車、電動(dòng)車，以及殘疾人過街。

（4）天橋最好能構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化。構(gòu)件可以在工廠集中進(jìn)行生產(chǎn)，在現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，就象搭積木一樣，這樣既便于控制質(zhì)量，又可加快施工速度。

（5）新材料的研發(fā)。通過材料的研發(fā)，促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展與進(jìn)步，滿足人們對(duì)橋梁功能要求的同時(shí)，設(shè)計(jì)出符合環(huán)境友好的橋梁。

人行天橋解決了這些問題，就自然有了好的形式。與其追求樣式的標(biāo)新立異，不如把天橋的舒適性、合理性設(shè)計(jì)到最好。如果建設(shè)的人行天橋，是一種對(duì)公共資源的浪費(fèi)，不論是從設(shè)計(jì)的角度，還是從城市的角度，都沒有積極的意義。

6 結(jié) 語

新民廣場過街天橋工程結(jié)合雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用下承式桁架結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)通過計(jì)算分析后，各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。在該主體結(jié)構(gòu)上，可以直接搭設(shè)雨棚，避免了單獨(dú)搭設(shè)雨棚支架，不僅降低了結(jié)構(gòu)建筑高度，而且通透性更好，使結(jié)構(gòu)更好地與周圍環(huán)境相融合。該工程為老城區(qū)市政工程，地下結(jié)構(gòu)及管線眾多，給設(shè)計(jì)、施工帶來很大難度，通過采用樁基加托梁的門架式基礎(chǔ)，很好地解決了避讓管線及地下結(jié)構(gòu)的問題。通過在順橋向取消斜腹桿，增設(shè)加強(qiáng)豎桿，設(shè)置雙支座的結(jié)構(gòu)形式，解決了在桁架中間設(shè)置梯道出入口且該出入口緊鄰懸臂跨的問題。并設(shè)計(jì)了一種簡易伸縮縫，既滿足結(jié)構(gòu)的變形要求，又使天橋懸臂端與樓板達(dá)到了無縫連接的目的。通過增設(shè)全封閉防護(hù)棚及電加熱系統(tǒng)，解決了東北地區(qū)自動(dòng)扶梯運(yùn)行系統(tǒng)防凍的問題，使東北地區(qū)人行天橋設(shè)置自動(dòng)扶梯成為可行。并且，提出了未來天橋的發(fā)展及研究方向，可供同類工程參考借鑒。