三角形截面鋼管桁架人行橋設計

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構粗笨、單位造價偏高、易發生人致振動等問題。該橋主橋為簡支結構，計算跨徑68.4m，橋面全寬5m，鋼結構總重約137.7噸。文章介紹了橋梁的設計思路，并對結構進行了靜力、動力、穩定性等方面的計算分析，驗證了該結構的合理性及安全性，可為同類橋梁設計提供參考。

關鍵詞：人行橋；橋梁設計；鋼管桁架；振動

引言

隨著橋梁科技水平的不斷發展，世界范圍內的人行橋建設發展迅速，各種造型新穎、結構輕盈的人行橋如雨后春筍般涌現。由于大多數人行橋跨徑較小，橋梁剛度較大，因此人致振動問題并不突出。但對于較大跨徑的人行橋，人致振動的影響將變得不可忽視。2000年英國千禧橋在開通當日發生的過渡橫向振動事件，在世界范圍內引起了橋梁工程師對人行橋人致振動問題的廣泛關注。在我國，人行橋振動導致行人不適的案例也時有發生。關于人行橋的振動問題，我國相關規范有“天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz”的規定，但大跨徑人行橋，一般較難符合該要求。文章結合工程實際，參考歐洲規范，提出了一種適用于較大跨徑的改良鋼桁架人行橋，并對結構進行了計算驗證。

1 概述

該橋由計算跨徑為68.4m的簡支鋼桁架主橋及兩側坡比為1：8的推行坡道引橋組成，橋面全寬5m，橋梁全長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。該結構是在常規下承式鋼桁架的基礎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，并將下弦桿間距適當拉開，在增強了桁架橫向剛度的同時使橋面凈空滿足設計要求。相對于常規桁架，該結構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，但由于取消了整個上平聯構造，仍然從總體上降低了結構的用鋼量。該結構在縱向及橫向均采用穩定的“三角形”構造，造型簡約，力學概念清晰。

圖3 橋型效果圖

2 主橋結構設計

該橋按人行橋設計，設計荷載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，桁架計算高度為8.2m，寬度為8.2m，縱向節點間距7.6m，主橋計算跨徑為68.4m。上、下弦桿內灌填混凝土以提高橋梁整體剛度及鋼管節點承載力，管內壁設抗剪連接件確保鋼-混結合質量。橋面板分塊預制、吊裝，后澆濕接縫與桁架縱梁形成整體，結構厚度為12cm。橋面板及縱梁在橫橋向設二道斷縫，將結構分為三段，以減小橋面板混凝土收縮、徐變及日照溫度效應對結構的影響。主橋桁架主要構件均采用Q345C材質，桁架鋼結構總重約137.7t。構件規格詳見表1。

表1 鋼桁架構件規格表

3 結構分析

桁架結構按極限狀態法進行設計。在進行整體靜力計算時，上、下弦桿按空心鋼管截面考慮，管內混凝土作為自重荷載加載，填充混凝土對承載能力的提升作為安全儲備；動力特性分析及穩定性分析時，考慮弦桿按鋼管混凝土截面考慮，計入混凝土的質量及剛度。

3.1 靜力計算

靜力計算考慮的荷載主要有：結構自重、人群荷載（3.5kN/m2）、梯度溫度（陽光直射部位的構件均勻升溫度25度/降溫-12.5度）等。

根據計算結果，各構件在基本組合下的最大應力均滿足規范[1]要求，詳見表2。

表2 桁架構件應力水平

注：上、下弦桿應力驗算部位的鋼管壁厚16mm，強度設計值取310N/mm2。人群荷載產生的撓度為17.0mmL/1600=42.8mm，應設置預拱度。

3.2 動力特性分析

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為橫向振動，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為豎向振動，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（如配置質量調頻阻尼器等）既能滿足人行橋舒適性要求。

3.3 穩定性分析

主橋桁架結構輕盈，桿件細長，應進行桿件穩定性驗算。根據分析結果，第一階屈曲模態表現為端腹桿失穩，相對于人群荷載的穩定性系數為21.2，滿足穩定性使用要求[4]（第一類穩定，安全系數≥4）。

4 結束語

該橋是一種改良的鋼桁架橋型，該橋型結構具有建筑高度低、單位用鋼量較小、結構動力特性較理想等特點，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構粗笨、單位造價偏高、易發生人致振動等問題，體現了橋梁設計“安全、適用、經濟、美觀”的原則，為同類橋梁設計提供了有益的參考。

該橋作為鋼管桁架結構，還應進行鋼管節點承載能力及疲勞性能的驗算[5]，限于篇幅文章不再贅述。

參考文獻

[1]鋼結構設計規范[S].

[2]城市人行天橋與人行地道技術規范[S].

[3]陳政清，華旭剛.人行橋的振動與動力設計[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[5]趙熙元，等.鋼管結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.