鋼結構人行橋梁的設計及結構內力的計算

黃 杰 張 強

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

鋼結構由于具有自重相對較小,工廠可分段預制、現場焊接拼裝的施工工藝對環境影響較小等優點,在橋梁建設中得到了廣泛的應用[1-2]。但是鋼結構橋梁普遍存在自振頻率難以滿足規范要求的情況，設計過程中，如果通過不斷提高梁高或加大鋼板厚度進行改變，不僅視覺效果方面不能滿足要求，而且容易造成材料浪費。進行鋼結構橋梁設計時，可以利用有限元數值模擬軟件，根據不同梁體高度、不同結構形式多次建立有限元模型，進行計算比選，最終確定墩梁固結的結構形式，以最經濟的方式減少梁高，提高橋梁自振頻率?；诖?，結合無錫市濱湖區某人行橋設計項目，開展鋼結構橋梁的設計與結構內力的計算，以期設計出輕便實用、結構美觀、施工簡單，并且自振頻率滿足規范要求的鋼結構人行橋。

1 工程概況與總體設計方案

1.1 工程概況

某橋梁設計項目位于無錫市濱湖區華清大道東側、吳都路北側、和暢路南側。項目所在地塊北側入口處需規劃建設售樓處及周邊景觀帶，但需跨越秀水河與北側和暢路連接，需設計一座橋梁橫跨秀水河。

擬建場地地貌屬長江三角洲沖、湖積平原。項目所在地地質情況如下：

（1）擬建場地區域地質條件穩定，無滑坡等不良地質作用和洪澇等地質災害存在；

（2）建筑的場地類別為Ⅲ類，擬建場地填埋河塘部位為對建筑抗震不利地段，其它部位為對建筑抗震一般地段；

（3）抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，設計特征周期值為0.45s；

（4）地層土體分布較穩定，土層以粉質黏土為主，地基承載力介于120～200MPa之間。

1.2 總體設計方案

現狀秀水河橋梁方向河道寬度30m。結合當地河道管理部門的要求，不得在河道中間打樁且不得破壞兩側河道擋墻。故采用單跨橋直接跨越秀水河且需預留足夠安全距離避讓兩側河道擋墻，確定橋梁凈跨徑為39m。按整體景觀設計要求，梁體需輕盈單薄，且單側設置流水幕墻，增加景觀效果。

橋梁結構形式可采用簡支或固結鋼箱梁。經多次有限元模型計算比選，主要控制變量為豎彎基頻：簡支結構1.2m高度鋼箱梁結構豎彎基頻為2.53Hz；簡支結構1.5m高度鋼箱梁結構豎彎基頻為3.13Hz；固結結構1.2m高度鋼箱梁結構豎彎基頻為3.45Hz；三種高度及結構形式強度、應力、穩定性驗算均滿足規范要求。在綜合考慮景觀、造價、安全、舒適等諸多因素的情況下，最終確定橋梁結構形式為凈跨徑39m固結鋼箱梁，梁高1.2m。

2 橋梁結構與施工步驟設計

2.1 設計技術標準

設計荷載：按《城市人行天橋和人行地道技術規范》（CJJ 69-95）要求執行,人群荷載4.2kN/m2；橋梁設計安全等級為二級，結構重要性系數為1.0；橋梁設計基準期為100年；橋梁設計使用年限為50年；抗震要求：地震動峰值加速度0.10g，地震基本烈度7度，場地類別Ⅲ類，設計特征周期為0.45s,橋梁抗震設防分類為丁類，抗震設計方法為B類，抗震措施按7度要求。

2.2 橋梁結構設計

2.2.1 上部結構設計

主橋全寬3.6m，凈寬3.13m，箱體高度為1200mm,底板采用弧線設計增加美觀度，頂、底鋼板厚度為20mm,腹板厚度為12mm，西側箱梁頂板下凹預留356mm×560mm空間，設置流水幕墻及排水溝。橋梁上部結構采用1~51m固端鋼箱梁，凈跨徑為39m。鋼箱梁與臺身連接部分內管C35混凝土，下設錨固錨栓與橋臺固結。

2.2.2 下部結構設計

采用重力式橋臺+鉆孔樁基礎形式，橋臺采用鋼筋混凝土重力式臺身：箱體固結于臺身內一起澆筑，臺身尺寸為6.2m×4.2m×1.99m（長×寬×高）；橋臺承臺尺寸為7.25m×4.8m×1.5m(長×寬×厚）；樁基：主橋橋臺樁基采用直徑為0.8m的鉆孔灌注樁。根據橋位處地質條件，均按摩擦樁設計，樁長25m。

2.2.3 橋面設計

橋面采用3cm厚石材+2cm厚水泥砂漿+4.7～7.7cm厚鋼筋混凝土+1mm改性環氧樹脂防腐防水層進行鋪裝（見圖1）。

圖1 橋面鋪裝橫斷面圖

2.2.4 護欄設計

本橋護欄一側為流水幕墻及流水溝，另一側為玻璃護欄。橋梁橫坡采用單向1%坡，坡向為向著流水幕墻側。

2.3 橋梁施工步驟設計

（1）施工步驟一。首先，進行場地整平，施工橋臺，設置臨時支墩；同時工廠生產橋梁鋼結構部分。其次，上部結構梁在工廠完成預拼裝后運往現場施工。預拼裝后相對尺寸核對無誤后，反饋現場施工單位核對標高后再進行運輸。最后，臨時支墩施工完成后采用應進行支架預壓，預壓荷載為計算荷載的1.1倍，連續3d沉降值累計不超過3mm，且連續壓7d。臨時支撐建議采用直徑600的鋼管制作。

（2）施工步驟二。首先，承臺周邊用碎石回填，回填完成后拔出鋼板樁。其次，用吊裝架設主梁焊接，焊接完成后澆筑臺身及梁體內混凝土。最后，待臺身混凝土達到設計強度的90%后拆除臨時支撐。

（3）施工步驟三。施工橋面系并進行橋梁裝飾，然后通行。

2.4 設計要點

（1）橋梁鋼箱梁與橋臺設計初期采用焊接鋼板固結方式，但安裝空間太小，焊縫強度很難達到設計要求，后與施工單位溝通采用長錨桿錨固的形式連接，施工方便，錨桿錨固效果較好。

（2）行人步頻分布在1.6~2.0Hz，結構的自振頻率應不與行人的激勵頻率接近,避免結構出現共振或振動過大現象[3-4]，故設計過程中采用梁體與橋臺基礎固結的形式，整體效果經濟美觀，結構安全滿足設計規范要求，實際運行良好，過橋舒適度高。

3 橋梁結構內力計算分析

3.1 計算模型建立

采用Civil Designer對橋梁進行設計，并以《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）和《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）為標準進行驗算。進行實體建?？梢暂^真實地反映橋梁整體變化、空間效應和局部應力傳遞機理，能夠進行各種極限狀態的受力分析及結構破壞的全過程分析[5]。橋梁上部鋼結構部分采用厚板單元模擬，橋臺采用實體單元模擬，鋼筋拉桿采用桿單元模擬，橋臺樁基礎采用桿單元模擬并模擬了土側剛度。邊界條件：樁基礎模擬側向剛度及豎向剛度。

圖2 橋梁數值計算模型

3.2 計算階段與參數取值

3.2.1 數值計算階段劃分

計算模型根據實際施工階段進行模擬，共有四個施工階段：

（1）第一段梁體架設階段：設置臨時支撐，架設第一段梁體，施工天數7.0d；

（2）梁體整體安裝拆除臨時支撐階段：設置樁基、承臺、橋臺，安裝第二、三段梁體，拆除臨時支撐，施工天數7.0d；

（3）施工橋面系階段：激活橋面荷載系，施工天數7.0d；

（4）收縮徐變階段，施工天數3652d。

3.2.2 數值計算荷載設計

計算模型共考慮7種荷載工況：

（1）結構自重：鋼材Q345qD，76.98kN/m3；C35混凝土，25kN/m3；

（2）欄桿荷載：左側1kN/m；

（3）水景幕墻：右側5kN/m；

（4）橋面鋪裝荷載：12kN/m；

（5）溫度荷載效應：考慮整體升溫25℃，整體降溫20℃；梯度溫度按橋面板升降溫7℃計算；

（6）承臺混凝土：鋼箱梁與橋臺連接部分灌入C35混凝土；

（7）風荷載：按JTG/T3360-01-2018《公路橋梁抗風設計規范》取用，本橋按5kN/m。

移動荷載按《城市人行天橋和人行地道技術規范》（CJJ 69-95）要求執行,人群荷載4.2kN/m2。

3.3 計算結果分析

3.3.1 梁體應力值驗算

模型計算基本組合下腹板應力值51.704 MPa≤160.000MPa，滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》規定拉/壓彎構件腹板應力驗算要求，梁體正應力值154.780 MPa≤fd=275.000MPa，滿足拉/壓彎構件翼緣板彎曲正應力驗算要求。

3.3.2 橋梁整體運行基頻驗算

一階豎彎振型（見圖3），豎彎基頻為3.45Hz,滿足《城市人行天橋和人行地道技術規范》（CJJ 69-95）規定不小于3Hz的要求。

圖3 一階豎彎振型

3.3.3 撓度驗算及預拱度

按《公路鋼結構橋梁設計規范》第4.2.3條規定，計算豎向撓度時，應按結構力學的方法并應采用不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數為1.0。根據計算可知，撓度驗算滿足要求，預拱度值為37.613mm。

表1 撓度驗算及預拱度

3.3.4 構造驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）規定，需計算加勁肋縱橫向尺寸及剛度。經計算該鋼箱梁頂、底板縱橫向加勁肋尺寸及剛度計算均滿足規范要求，頂板懸臂段縱、橫向加勁肋尺寸及剛度均滿足規范要求。

3.3.5 計算結果總結

該橋梁鋼箱梁構造設計、截面應力、橋梁振動頻率、橋臺基礎驗算等各項指標均滿足規范設計要求，結構安全可靠。

4 結束語

在無錫市濱湖區某人行橋設計項目中，在明確工程情況和總體設計方案的情況下，根據設計技術標準，進行了橋梁結構和施工步驟設計，分析了設計要點；通過采用數值計算軟件，建立了橋梁結構內力計算模型，對數值計算的階段進行了科學劃分，分析了數值計算的結果。經過計算可知：橋梁鋼箱梁截面應力、橋梁振動頻率、橋臺基礎驗算等各項指標均滿足規范設計要求。嚴格按照設計的施工步驟開展施工，使得該橋得以順利完成建設。目前，該橋已投入使用，造型優美且運行良好。