基于英國BS5400規范的港口鋼人行橋設計

文振軍　黃華

摘 要：本文結合安哥拉納米貝油碼頭工程鋼桁架人行橋的設計實例，解析按照英國BS5400規范進行人行橋設計的思路和流程，總結設計經驗，為同類工程提供借鑒。

關鍵詞：BS5400規范 三角鋼桁架 人行橋設計

納米貝油碼頭工程位于大西洋東海岸安哥拉共和國西南部，納米貝灣北部Porto Saco，該工程擬建造一個7萬噸級油氣碼頭泊位。碼頭前沿設有1個工作平臺，2個靠船墩和3個系纜墩，工作平臺、靠船墩和系纜墩間設置鋼人行橋聯接，根據總圖布置，人行橋跨徑有11m、13.5m、25.5m和28.5m四種。合同要求鋼人行橋按照BS 5400規范進行設計，其構造應不妨礙船只系泊時帶纜通行，人行橋的面板采用透空的鋼格柵板。

建設條件及設計思路

1、建設條件

納米貝灣南北寬約3海里，掩護條件良好，波浪小；納米貝灣屬炎熱干旱的沙漠氣候，受本格拉寒流和西南西北向季風影響，降雨量少，最高氣溫約32°C，最低氣溫約18°C。除偶爾有持續約1小時龍卷風外，很少有大風天氣，瞬時陣風最大風速約25m/s。

2、設計思路

按照安全、經濟、適用、耐久兼顧美觀的設計原則，人行橋根據跨徑選擇合理的結構形式，采用工廠加工整體拼裝，航運至碼頭工地后吊裝施工，采用板式橡膠支座支承在已建的墩臺上。

設計荷載

1、關于人群荷載

2、關于風荷載

3、荷載組合

人行橋設計

國內外港口碼頭鋼人行橋常采用實腹式鋼板梁、拱式鋼桁架、平行弦鋼桁架等結構型式，根據使用條件選擇上承式或下承式橋梁結構。結合納米貝油碼頭人行橋的使用要求，在構思人行橋方案時，對跨度為11m、13.5m的人行橋，選用上承式鋼板梁結構；對跨度為25.5m和28.5m的人行橋，擬在下承式鋼板梁、上承式平行弦鋼桁梁等結構型式中進行比選。

1、下承式鋼板梁方案

鋼板梁橋的主梁一般采用工字鋼、H形鋼或焊接工形梁等形式，主梁要求有足夠的強度和剛度。主梁結構受截面應力和剛度控制，主梁高跨比通常在1/15～1/25之間，主梁間距和橋寬對梁高影響比較大。

以跨度28.5m鋼橋為例，上部結構采用雙主梁形式，為保證結構有足夠的剛度，梁高擬定為1.3m。當采用上承式鋼板梁時，要求相應墩臺開挖槽口尺寸較深，對靠開槽深度，在滿足人行橋凈空要求的前提下，采用下承式鋼板梁型式，橫斷面如圖1所示。

2、上承式鋼桁架方案

以往國內碼頭工程鋼人行橋設計，比較多采用下承拱式鋼桁架型式，為了方便帶纜通行，會在主桁下平聯結構外側設置挑臂，架設帶纜通道。納米貝油碼頭要求人行道通行凈寬不小于1m，橋面1.2m高度以上無障礙，同時該項目國外咨詢工程師要求人行橋寬度盡可能窄。受上述條件限制，傳統的下承式拱式鋼桁架外側設帶纜通道的方案未被采納。為節省用鋼量，降低工程造價，經優化設計，人行橋主梁最終采用上承式三角鋼桁架方案，橫斷面布置如圖2所示。

3、方案比選

經濟技術比較顯示：相同跨度和寬度情況下，在滿足強度和剛度要求的前提下，上承式三角鋼桁架方案比下承式鋼板梁方案用鋼量要省，經濟性好；三角鋼桁架結構輕巧，造型美觀，振動及穩定性亦較好，最終作為推薦方案被采納。

4、鋼桁架橋總體布置

以跨度L=28.5m為例，人行橋采用一跨簡支的上承式空間三角鋼管桁架結構，由空間腹桿和上平聯將平行的3根弦桿（2根上弦桿和1根下弦桿）聯接起來構成空間主桁體系。全橋僅端部有1對腹桿在豎直平面內，其余均為空間斜腹桿。上平聯的作用：一是滿足結構橫向受力需要，二是加強結構橫向聯系，保證結構的穩定性。主桁上弦桿兩端用工字鋼加強，作為支承處的傳力構件，工字梁底面平整，亦方便主桁梁端底面支座的布設。

考慮人行橋橋面與兩端系纜墩的銜接，同時減小碼頭高潮位時對人行橋上部結構的影響，最終確定主桁桁高為1.7m（結構高跨比H/L約為1/16），主桁中心寬1.5m，節間長度為2m。

主桁上弦桿為φ168x10mm鋼管，下弦桿為φ203x10mm鋼管，主桁兩端的6對腹桿和上平聯的橫向撐桿為φ108x8mm鋼管，其余斜腹桿及上平聯的斜向撐桿為φ83x7mm鋼管。橋面系采用鏤空的鋼格柵板，用工字鋼小縱梁支撐在上平聯的橫向撐桿上。

主桁結構采用工廠組拼，船舶海運至碼頭后采用吊裝施工，以節省工期，確保施工質量。

2、結構變形與預拱度設置

BS 5400規范對橋梁結構在荷載作用下的變形未做明確要求，但指出應設置預拱度以滿足排水等使用要求。中國規范《水運工程鋼結構設計規范》（JTS 152-2012）規定：桁架式主梁由可變荷載標準值所引起的豎向撓度不應超過其跨度的1/800。在人群荷載作用下，桁架結構跨中豎向撓度f=30.4mm< L/800=34.4mm（L為計算跨徑），滿足要求。在結構自重作用下，桁架結構跨中豎向撓度f=16.8mm。自重及人群荷載作用下結構跨中豎向撓度合計為47.2mm，已超過跨度的1/1600，宜在結構拼裝時預設上拱度，上拱度取L/1000。

3、結構振動與舒適度

根據BS 5400-2：2006附錄B，對上部結構，在不加載時結構豎向振動的基頻大于5Hz，在加載時結構水平向振動的基頻大于1.5Hz時，可認為結構的振動性能是滿足使用要求的。當結構豎向基頻f0小于等于5Hz時，要求結構所有構件的最大豎向加速度a小于0.5√f0m/s2。

結構的基頻與結構剛度相關，剛度越大，結構的基頻也越大。對桁架結構而言，加大桁高、增大桿件截面都是改善結構基頻的有效手段。但從結構穩定性角度考慮，為防止桁架發生側傾失穩、彎扭屈曲，桁高不宜太高；從發揮材料的力學性能和節省造價角度考慮，桁架桿件截面也不宜太大。

結構設計

1、材料選用

根據合同要求應采用滿足BS5400標準的鋼材。原設計鋼材擬采用S275 J2，設計修編時根據鋼橋在國內加工組拼的實際情況，在征得國外咨工同意后，以國標Q345B鋼材代替英標S275 J2（經分析比較，國標Q345B力學性能完全滿足BS5400要求）。

2、連接設計

鋼桁架人行橋除端部支承處采用工字型鋼外，其余桿件均采用無縫鋼管，構件連接均采用焊接。鋼管縱向接長采用對接焊縫。鋼管間的K形連接、T形連接均采用相貫焊縫，上弦管在端部開槽，將工字型鋼腹板沿弦桿軸向插入，兩者采用坡口焊連接。工字梁的加勁肋均采用雙面角焊縫連接。上述鋼管間對接焊縫、相貫焊縫、坡口焊縫、角焊縫等均應滿足BS5135的相關規定和要求。

3、防腐涂裝設計

納米貝油碼頭鋼人行橋處于海上大氣環境，環境腐蝕級別為C5-M（很高），根據ISO12944的相關規定，人行橋防腐涂裝體系選擇ISO12944-5/A5M.06-EP/PUR。

結語

納米貝油碼頭鋼人行橋按照英國規范BS5400設計，采用極限狀態設計法。國內《水運工程鋼結構設計規范》（JTS 152-2012）亦采用極限狀態設計法，與BS5400規范設計方法相似，而《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ025-86）仍采用容許應力法進行設計。

BS5400規范與國內鋼橋設計規范在材料、荷載、結構驗算（強度、剛度、穩定性）等諸多方面都有較大差異，在具體應用時應予以注意。關于人群荷載，BS5400僅對專用人行橋做了規定，對港口人行橋未做規定；國內《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）規定作用于港口工程人行引橋結構上的人群荷載標準值，當人行通道寬度小于1.2m時為2kPa，可作為參考取值。關于結構基頻，BS5400規定人行橋在不加載時結構豎向振動基頻大于5Hz時振動性能滿足要求。國內僅《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69-95）規定：為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz。這一要求較BS5400要求偏低。

上承式三角鋼桁架結構，造型新穎，受力明確，與實腹鋼板梁相比用鋼量較省，可作為國內外港口工程人行引橋的備選方案，值得研究和推廣。

（第一作者單位：中交第四航務工程勘察設計院有限公司）

結構設計

1、材料選用

根據合同要求應采用滿足BS5400標準的鋼材。原設計鋼材擬采用S275 J2，設計修編時根據鋼橋在國內加工組拼的實際情況，在征得國外咨工同意后，以國標Q345B鋼材代替英標S275 J2（經分析比較，國標Q345B力學性能完全滿足BS5400要求）。

2、連接設計

鋼桁架人行橋除端部支承處采用工字型鋼外，其余桿件均采用無縫鋼管，構件連接均采用焊接。鋼管縱向接長采用對接焊縫。鋼管間的K形連接、T形連接均采用相貫焊縫，上弦管在端部開槽，將工字型鋼腹板沿弦桿軸向插入，兩者采用坡口焊連接。工字梁的加勁肋均采用雙面角焊縫連接。上述鋼管間對接焊縫、相貫焊縫、坡口焊縫、角焊縫等均應滿足BS5135的相關規定和要求。

3、防腐涂裝設計

納米貝油碼頭鋼人行橋處于海上大氣環境，環境腐蝕級別為C5-M（很高），根據ISO12944的相關規定，人行橋防腐涂裝體系選擇ISO12944-5/A5M.06-EP/PUR。

結語

納米貝油碼頭鋼人行橋按照英國規范BS5400設計，采用極限狀態設計法。國內《水運工程鋼結構設計規范》（JTS 152-2012）亦采用極限狀態設計法，與BS5400規范設計方法相似，而《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ025-86）仍采用容許應力法進行設計。

BS5400規范與國內鋼橋設計規范在材料、荷載、結構驗算（強度、剛度、穩定性）等諸多方面都有較大差異，在具體應用時應予以注意。關于人群荷載，BS5400僅對專用人行橋做了規定，對港口人行橋未做規定；國內《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）規定作用于港口工程人行引橋結構上的人群荷載標準值，當人行通道寬度小于1.2m時為2kPa，可作為參考取值。關于結構基頻，BS5400規定人行橋在不加載時結構豎向振動基頻大于5Hz時振動性能滿足要求。國內僅《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69-95）規定：為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz。這一要求較BS5400要求偏低。

上承式三角鋼桁架結構，造型新穎，受力明確，與實腹鋼板梁相比用鋼量較省，可作為國內外港口工程人行引橋的備選方案，值得研究和推廣。

（第一作者單位：中交第四航務工程勘察設計院有限公司）

結構設計

1、材料選用

根據合同要求應采用滿足BS5400標準的鋼材。原設計鋼材擬采用S275 J2，設計修編時根據鋼橋在國內加工組拼的實際情況，在征得國外咨工同意后，以國標Q345B鋼材代替英標S275 J2（經分析比較，國標Q345B力學性能完全滿足BS5400要求）。

2、連接設計

鋼桁架人行橋除端部支承處采用工字型鋼外，其余桿件均采用無縫鋼管，構件連接均采用焊接。鋼管縱向接長采用對接焊縫。鋼管間的K形連接、T形連接均采用相貫焊縫，上弦管在端部開槽，將工字型鋼腹板沿弦桿軸向插入，兩者采用坡口焊連接。工字梁的加勁肋均采用雙面角焊縫連接。上述鋼管間對接焊縫、相貫焊縫、坡口焊縫、角焊縫等均應滿足BS5135的相關規定和要求。

3、防腐涂裝設計

納米貝油碼頭鋼人行橋處于海上大氣環境，環境腐蝕級別為C5-M（很高），根據ISO12944的相關規定，人行橋防腐涂裝體系選擇ISO12944-5/A5M.06-EP/PUR。

結語

納米貝油碼頭鋼人行橋按照英國規范BS5400設計，采用極限狀態設計法。國內《水運工程鋼結構設計規范》（JTS 152-2012）亦采用極限狀態設計法，與BS5400規范設計方法相似，而《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ025-86）仍采用容許應力法進行設計。

BS5400規范與國內鋼橋設計規范在材料、荷載、結構驗算（強度、剛度、穩定性）等諸多方面都有較大差異，在具體應用時應予以注意。關于人群荷載，BS5400僅對專用人行橋做了規定，對港口人行橋未做規定；國內《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）規定作用于港口工程人行引橋結構上的人群荷載標準值，當人行通道寬度小于1.2m時為2kPa，可作為參考取值。關于結構基頻，BS5400規定人行橋在不加載時結構豎向振動基頻大于5Hz時振動性能滿足要求。國內僅《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69-95）規定：為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz。這一要求較BS5400要求偏低。

上承式三角鋼桁架結構，造型新穎，受力明確，與實腹鋼板梁相比用鋼量較省，可作為國內外港口工程人行引橋的備選方案，值得研究和推廣。

（第一作者單位：中交第四航務工程勘察設計院有限公司）