鋼管桁架人行景觀橋的設(shè)計

趙中巖

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司橋梁工程所，四川 成都 610072）

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市人行橋梁越來越重視美觀性，要求具備輕盈、通透、簡潔明快的特性，但往往受跨徑、梁高、線形等設(shè)計條件的制約，又要求結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮材料的特性，滿足質(zhì)量輕、強度高、剛度大等力學(xué)性能。

由于鋼管桁架結(jié)構(gòu)能夠兼顧上述景觀要求的同時滿足力學(xué)性能，因此人行景觀橋設(shè)計中多采用鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮鋼材的高強特性，同時利用桁架桿件全截面受力，就成了一種不錯的選擇。

1 工程概況

某公園內(nèi)景觀軸項目中的橋梁工程，自地下廣場開始，橫跨兩條市政河流、一條沿河市政道路，成為公園東西區(qū)地下廣場、景觀塔、河邊棧橋、地下車庫等節(jié)點的連接紐帶。由于本橋跨越市政道路，同時又要與地下工程協(xié)調(diào)，橋梁最大跨徑36 m，多數(shù)橋跨小于等于15 m，就要求梁高盡可能小、全橋的梁高變化盡可能平順。由于本橋平面線形呈發(fā)散的螺旋狀，在線路起始段平曲線半徑不到30 m。地勘資料顯示，橋位處于河道沖積扇區(qū)域，附近及其外圍地區(qū)發(fā)生過多次中、強破壞性地震，對工程場地均造成了不同程度的影響，樁基應(yīng)考慮土層液化效應(yīng)折減?；谝陨现T多限制條件，該人行橋的設(shè)計摒棄了通常所用的鋼箱梁，采用了上部結(jié)構(gòu)更輕的鋼管桁架結(jié)構(gòu)。

本文通過對管桁式人行橋的計算，給出了合理的結(jié)論，并進行了部分參數(shù)的敏感性分析，希望為今后同類型橋梁的設(shè)計提供參考。

2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

該橋梁屬城市公園內(nèi)專用人行橋梁。

（1）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級：一級。橋面寬度：變寬2.0～6.67 m。

（2）設(shè)計洪水頻率：1/100 a。

（3）設(shè)計荷載：

a. 人群荷載：按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》取值。

b. 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：抗震基本烈度為9 度，地震動峰值加速度為0.40g，特征周期為0.45 s，抗震設(shè)防類別為丁類。

3 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

該橋分為五聯(lián)，采用（14+3×12）m+（30+36+30）m+（4×15）m+（3×15）m+（3×14+12）m=305 m 的布置。桁架通高0.9m，橋面布置為0.4 m 鋼欄桿+3.2 ～5.9 m人行道+0.4 m 鋼欄桿。

第二聯(lián)成為全橋的控制聯(lián)，其曲線半徑較小，僅為30 m，但跨徑最大，為36 m。本文僅對第二聯(lián)（30+36+30）m 進行研究。

第二聯(lián)由上弦桿、下弦桿、腹桿、橫梁、縱梁等組成，桁架高度為0.9 m，寬度為3.6 m，縱向節(jié)間距平均值3.6 m，橋面布置為0.4 m 鋼欄桿+3.2 m 人行道+0.4 m 鋼欄桿。鋼管均采用Q345C 材質(zhì)，填充混凝土C40，構(gòu)件規(guī)格詳見表1。

表1 第二聯(lián)鋼桁架構(gòu)件規(guī)格

桁架橫斷面呈倒三角形，如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)是在常規(guī)上承式鋼桁架的基礎(chǔ)上將兩片主桁的下弦桿退化成一根，取消了下平縱聯(lián)，并將上弦桿間距適當(dāng)拉開，在增強了桁架橫向剛度的同時，使桁架高度滿足設(shè)計要求，并滿足景觀輕型化的要求。該結(jié)構(gòu)在縱向及橫向上均采用穩(wěn)定的“三角形”構(gòu)造，造型簡潔，力學(xué)概念清晰，自重較輕而結(jié)構(gòu)剛度較大[1]。

圖1 第二聯(lián)橫斷面（單位:mm）

橋墩采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[2-3]，中墩采用雙Y 形墩，上端順橋向分叉；邊墩采用樹形墩（即將單Y 形墩直柱延伸到頂）。其中，直柱采用600×16 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，斜肢采用450×16 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[2-3]。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 建模與假定

采用Midas Civil 2021 有限元程序建模。所有構(gòu)件按照桁架單元進行建模計算，節(jié)點采用剛性節(jié)點。桁架和橋墩采用固結(jié)，墩底固結(jié)。橋梁模型如圖2 所示。

圖2 第二聯(lián)模型三維圖

4.2 應(yīng)力分析

靜力計算考慮的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、二期恒載1.57 kN/m2、人群荷載4.232 kN/m2、整體升溫30°，整體降溫30°。上弦桿單側(cè)單獨升溫15°，下弦桿單獨升溫15°。

由表2 可知，各桿件的應(yīng)力均能滿足規(guī)范[4]要求。

表2 第二聯(lián)鋼桁架應(yīng)力驗算

4.3 撓度分析

由圖3 可知，人群荷載產(chǎn)生的撓度為44.0 mm，小于L/800=45 mm，滿足規(guī)范[5]的要求。由圖4 可知，桁架標(biāo)準(zhǔn)組合下最大撓度為98 mm，大于L/1 600=19.4 mm，應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度。

圖3 人群荷載產(chǎn)生的撓度（單位:mm）

圖4 標(biāo)準(zhǔn)組合產(chǎn)生的撓度（單位:mm）

4.4 桿件長細比分析

桿件應(yīng)進行長細比分析，避免局部失穩(wěn)。結(jié)果見表3、圖5。

圖5 桿件長細比驗算

表3 第二聯(lián)鋼桁架構(gòu)件長細比驗算

由表3、圖5 所示結(jié)果可知，各桿件的長細比均能滿足規(guī)范[4]要求。

4.5 動力分析

桁架結(jié)構(gòu)自重較小，活載與恒載的比值相對較大，因此動力特性分析尤其重要。根據(jù)規(guī)范[5]第2.5.4條規(guī)定：為避免共振，減少行人不安全感，豎向自振頻率不應(yīng)小于3.0 Hz。

由表4、圖6、圖7 可知，前4 階階振型主要表現(xiàn)為橫向振動，其頻率為1.86～2.73 Hz，均在橫向敏感頻率0.5～1.2 Hz 范圍[6]之外；第5 階振型主要表現(xiàn)為豎向振動，其頻率為3.32 Hz，不僅在豎向敏感頻率1.6～2.4 Hz 范圍[6]之外，還滿足規(guī)范[5]的規(guī)定。

圖6 1 階對稱橫彎

圖7 1 階豎彎

表4 第二聯(lián)鋼桁架前5 階振型及頻率

4.6 穩(wěn)定性分析

桁架結(jié)構(gòu)輕盈，桿件細長，除了長細比控制的桿件局部穩(wěn)定要求外，應(yīng)進行整體穩(wěn)定性驗算。根據(jù)分析結(jié)果（見圖8），1 階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為橋墩失穩(wěn)，恒載基礎(chǔ)上相對于人群荷載的穩(wěn)定性系數(shù)為90.8，滿足穩(wěn)定性使用要求[7]（第一類穩(wěn)定，安全系數(shù)不小于4）。

圖8 1 階屈曲模態(tài)

5 用鋼量比較

第二聯(lián)鋼桁架同比用鋼量比較見表5。

表5 第二聯(lián)鋼桁架同比用鋼量比較

由表5 可知，同樣寬度、跨度橋型相比，鋼管桁架結(jié)構(gòu)用鋼量占鋼箱梁用鋼量的39.4%，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量明顯減少，更適合高震區(qū)及不良地質(zhì)條件，且節(jié)省造價。

6 參數(shù)敏感性分析

為了更好地研究本橋的力學(xué)特性，現(xiàn)對本聯(lián)桁架橋部分參數(shù)進行調(diào)整，研究不同參數(shù)對桁架結(jié)構(gòu)的影響。

參數(shù)分為四類：荷載類（系統(tǒng)溫度、弦桿不均勻溫度）、邊界類（橋墩剛度、橋墩形式）、弦桿類型（是否灌注混凝土）、桁架尺寸參數(shù)（桁高）。

（1）荷載類參數(shù)敏感性分析（見表6）。

表6 第二聯(lián)鋼桁架荷載類參數(shù)敏感性分析

由表6 可知，溫度變化對曲線桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力有較大影響，系統(tǒng)升降溫引起的應(yīng)力最大可占允許應(yīng)力的25%。曲線桁架結(jié)構(gòu)通過空間變形進行適應(yīng)，本橋所采用的曲線桁架結(jié)構(gòu)對溫度的適應(yīng)方式主要是扭轉(zhuǎn)變形。

（2）邊界類參數(shù)敏感性分析。 邊界類參數(shù)分成兩種，一種是橋墩與桁架的連接方式（見表7），一種是橋墩的構(gòu)件形式（見表8）。

表7 第二聯(lián)鋼桁架邊界類參數(shù)（連接方式）敏感性分析

表8 第二聯(lián)鋼桁架邊界類參數(shù)（橋墩形式）敏感性分析

由表7 可知，橋墩對桁架約束越強，桁架應(yīng)力、基頻越大；約束越弱，應(yīng)力、基頻越小。提高桁架橋橋墩的線剛度，對提高桁架橋整體的豎向基頻是明顯的，但同時增大了結(jié)構(gòu)應(yīng)力，降低了安全度。因此，橋墩的線剛度應(yīng)該結(jié)合應(yīng)力和基頻兩個因素綜合確定。很多人行橋基頻較低，可以通過增大橋墩線剛度增加整體橋梁的自振頻率（在上部結(jié)構(gòu)可以利用橋墩剛度的情況下）。

由表8 可知，本聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)橋墩采用空鋼管φ400×16 即可滿足應(yīng)力和撓度的要求（此時鋼管橋墩最大應(yīng)力159 N/mm2），橋墩在不考慮桁架撓度的情況下使用空鋼管φ400×16 即可，既節(jié)省材料，又可以節(jié)省混凝土灌注等施工費用。規(guī)范[8]對桁架橋撓度的限值是1/500（72 mm），遠大于規(guī)范[5]對撓度的規(guī)定。筆者認為，在滿足其他指標(biāo)且應(yīng)力比不太高（＜0.60）的情況下，后者要求過于嚴(yán)格。

（3）弦桿是否灌注混凝土，分析結(jié)果見表9。

表9 第二聯(lián)鋼桁架弦桿類型敏感性分析

由表9 可知，本聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)中間橋墩附近下弦桿是否灌注混凝土[2-3]，將極大影響下弦桿鋼管受壓程度，不灌注混凝土下弦桿的壓應(yīng)力過高，安全系數(shù)過低。

（4）桁高變化分析，結(jié)果見表10。

表10 第二聯(lián)鋼桁架桁高敏感性分析

由表10 可知，本聯(lián)桁架結(jié)構(gòu)桁高對桁架應(yīng)力、基頻、撓度影響較大，隨著桁高減少，桁架應(yīng)力有顯著增加，基頻減少較為劇烈，撓度影響最大。

7 結(jié) 論

（1）鋼管桁架結(jié)構(gòu)具備輕盈、通透、簡潔明快的視覺效果，應(yīng)對建筑高度受限時有很大的優(yōu)勢，可以充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，相較于鋼箱梁可以大幅節(jié)省用鋼量，更適合高震區(qū)及不良地質(zhì)條件，且節(jié)省造價。

（2）溫度變化對曲線桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力有較大影響，曲線桁架結(jié)構(gòu)通過空間變形進行適應(yīng)。本橋所采用的曲線桁架結(jié)構(gòu)對溫度的適應(yīng)方式主要是扭轉(zhuǎn)變形。

（3）橋墩線剛度變化對曲線桁架結(jié)構(gòu)的影響明顯，提高橋墩線剛度可以增大桁架的豎向基頻，但同時增大了結(jié)構(gòu)應(yīng)力，因此橋墩的線剛度應(yīng)該結(jié)合應(yīng)力和基頻兩個因素綜合確定。橋墩是否采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)對桁架應(yīng)力和基頻影響不大，對桁架結(jié)構(gòu)的撓度有影響，但使用空鋼管橋墩的情況下?lián)隙瘸薏欢啵靸r節(jié)省明顯。

（4）小半徑連續(xù)桁架結(jié)構(gòu)中墩附近下弦桿受壓程度與是否灌注混凝土使之形成整體鋼管混凝土截面密切相關(guān)，適當(dāng)長度范圍使用鋼管混凝土構(gòu)件顯著降低下弦桿鋼管的壓應(yīng)力，并且不增加過多投資。

（5）桁高對桁架應(yīng)力、基頻、撓度影響較大。隨著桁高減少，桁架應(yīng)力有顯著增加，基頻顯著減少，撓度影響最大。