鋼結(jié)構(gòu)人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計簡明計算全過程分析

趙 磊

（山西長治公路勘察設(shè)計院，山西 長治 046011）

0 引言

人行天橋作為在車輛繁忙和行人密集的城市區(qū)域和主干道中，保證交通暢通和行人安全，同時起到地標(biāo)建筑等特殊功能的結(jié)構(gòu)，受到諸多學(xué)者的大量研究。劉厚軍等結(jié)合城市人行天橋的設(shè)計實(shí)踐，解決了人行天橋設(shè)計中存在的一些常見問題[1]。李玉華以福建省漳州市勝利路人行天橋的設(shè)計為例，分析了整體式鋼箱梁在受力方面的良好性能[2]。陳正斌通過闡述城市人行天橋的造型與景觀之間的相互關(guān)系，提出能夠從造型與景觀角度塑造城市人行天橋提升美學(xué)效果的觀點(diǎn)[3]。單波等提出了一種以膠合竹板為基本材料的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)人行天橋，研究了短薄膠合竹板橋的成型工藝和構(gòu)件的力學(xué)性能，并通過實(shí)驗驗證了其合理性[4]。程曉東分析了鋁合金用于人行天橋存在的問題、對策以及應(yīng)用前景[5]。馮鵬等研究了FRP人行天橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和設(shè)計指標(biāo)，并提出了FRP人行天橋的變形限值為跨度的1/500的建議[6]。謝源生等以順德市新德業(yè)天橋為工程背景，介紹了鋼—混凝土混合箱梁人行天橋的設(shè)計與施工[7]。王士剛等通過對德國萊茵河畔威爾與法國惠寧恩之間的人行天橋設(shè)計，探討了優(yōu)秀人行天橋設(shè)計的思路和經(jīng)驗[8]。喬云強(qiáng)等結(jié)合國內(nèi)外一些設(shè)計獨(dú)特的人行橋案例，分析人行橋的5種美，探討了人行橋設(shè)計階段如何實(shí)現(xiàn)美觀[9]。王立彬等以拉薩市林廓天橋為工程背景，進(jìn)行了TMD對人行天橋振動控制的研究[10]。

本文以某人行天橋為例，詳細(xì)介紹了鋼結(jié)構(gòu)人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計以及受力計算的全過程，同時也對主橋樁基礎(chǔ)與梯道樁基礎(chǔ)進(jìn)行了分析計算。

1 工程概況與設(shè)計指標(biāo)

1.1 工程概況

某人行天橋主體為鋼結(jié)構(gòu)。主橋采用跨度布置為（7.5+18.5+7.5）m單箱三室鋼箱梁結(jié)構(gòu)，梯道跨徑為7.3 m+5.75 m，主梁高度為0.9 m，橋?qū)挒?.5 m，橋面人行凈寬3.2 m，梯道寬度3.5 m，梯道人行凈寬3.0 m。主橋下部采用鋼結(jié)構(gòu)墩柱、混凝土承臺和樁基礎(chǔ)；梯道下部采用鋼結(jié)構(gòu)墩柱、混凝土承臺和樁基礎(chǔ)。橋型布置圖如圖1所示。

1.2 主要荷載取值

該天橋主要荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下，自重按鋼容重78.5 kN/m3計算，欄桿荷載集度為0.35 kN/m，橫隔板按集中力1.35 kN加載，混凝土鋪裝及地磚荷載集度為8.5 kN/m，廣告牌荷載集度為5 kN/m，人群荷載取值為4.5 kN/m2。

2 上部結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 主橋箱梁計算

2.1.1 箱梁的幾何特性

主橋箱梁的截面形式如圖2所示，梁高0.9 m，單箱三室結(jié)構(gòu)。其截面的幾何特性如表1所示。

圖1 橋型布置圖（立面圖）

圖2 主橋箱梁截面圖

表1 主橋箱梁幾何特性

2.1.2 荷載效應(yīng)值

主橋箱梁的一期恒載為2.4 kN/m，不安裝廣告牌的二期恒載為5 kN/m，安裝廣告牌的二期恒載為6.1 N/m，活荷載取值為7.05 kN/m。風(fēng)荷載取值為豎向1.4 kN/m，橫橋向1.4 kN/m。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017—2003）第3.2.1條，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009—2012）第3.2條進(jìn)行荷載組合，具體見表2。

表2 荷載效應(yīng)組合

2.1.3 計算結(jié)果

由于本文鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的長細(xì)比較大，因此對于本橋結(jié)構(gòu)的驗算，不僅需要驗算強(qiáng)度是否需要滿足要求，還要驗算本橋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，經(jīng)計算可知，主橋箱梁強(qiáng)度與穩(wěn)定性均滿足要求。限于篇幅，表3僅給出了主橋第2跨（主跨）的強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗算結(jié)果。

表3 主橋箱梁強(qiáng)度穩(wěn)定性驗算表

取最不利狀態(tài)進(jìn)行主橋撓度驗算，實(shí)際撓度與容許撓度的對比關(guān)系如圖3所示。由于本橋是對稱結(jié)構(gòu)，第1跨和第3跨的最大撓度均為4.1 mm(L/1 820)小于容許撓度12.5 mm；主跨最大撓度為11.5 mm(L/1 610)小于容許撓度30.8 mm，均滿足規(guī)范要求。

圖3 主橋箱梁撓度對比圖

2.2 梯道箱梁計算

2.2.1 梯道箱梁的幾何特性

梯道箱梁為單箱三室結(jié)構(gòu)，梁高0.9 m。梯道箱梁截面的幾何特性如表4所示。

表4 梯道箱梁幾何特性

2.2.2 荷載效應(yīng)值

梯道箱梁的一期恒載為1.3 kN/m，不安裝廣告牌的二期恒載為3 kN/m，安裝廣告牌的二期恒載為7 N/m，活荷載取值為2 kN/m，風(fēng)荷載取值為豎向1.4 kN/m，橫橋向1.4 kN/m。

由于所受的荷載類型相同，所需要驗算的內(nèi)容也相同，因此荷載效應(yīng)組合同表2。

2.2.3 計算結(jié)果

經(jīng)計算，第1跨、第2跨以及第3跨梯道鋼箱梁結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，主跨梯道箱梁的強(qiáng)度穩(wěn)定性驗算結(jié)果如表5所示。

驗算最不利狀態(tài)撓度，得到第1跨最大撓度1.9 mm(L/3 884)小于容許撓度12.2 mm；第2跨最大撓度0.4 mm(L/13 062)小于容許撓度9.6 mm，均滿足規(guī)范要求。

表5 主跨梯道箱梁強(qiáng)度穩(wěn)定性驗算表

3 下部結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 主橋墩柱計算

3.1.1 主橋墩柱的幾何特性

主橋墩柱截面的幾何特性如表6所示。

表6 主橋墩柱的幾何特性

3.1.2 主橋墩柱設(shè)計內(nèi)力

墩柱為壓彎構(gòu)件，其設(shè)計內(nèi)力為軸力500 kN，平面內(nèi)彎矩30 kN·m，剪力30 kN，不承受平面外的力。

3.1.3 主橋墩柱的驗算結(jié)果

3.1.3.1 柱構(gòu)件強(qiáng)度驗算結(jié)果

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017—2003）第5.2.1條強(qiáng)度驗算的計算公式為：

相關(guān)符號含義見規(guī)范原文。

主橋墩柱構(gòu)件強(qiáng)度計算最大應(yīng)力6.13 MPa小于容許應(yīng)力[f]=295.0 MPa；柱構(gòu)件強(qiáng)度驗算滿足。

3.1.3.2 柱構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定驗算結(jié)果

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017—2003）第 5.2.2條整體構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定性計算公式為：

相關(guān)符號含義見規(guī)范原文。

柱構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定計算最大應(yīng)力為5.40 MPa小于容許應(yīng)力[f]=295.0 MPa。

3.1.3.3 分肢穩(wěn)定驗算結(jié)果

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017—2003）第 5.2.6條分肢平面內(nèi)穩(wěn)定性的計算公式同式（2），分肢平面外穩(wěn)定性的計算公式為：

相關(guān)符號含義見規(guī)范原文。

對本例驗算得，左肢穩(wěn)定計算應(yīng)力18.56 MPa小于容許應(yīng)力[f]=295.0 MPa；格構(gòu)柱左肢驗算滿足。右肢穩(wěn)定計算應(yīng)力21.26 MPa小于容許應(yīng)力[f]=295.0 MPa；格構(gòu)柱右肢驗算滿足。

3.1.3.4 單肢局部穩(wěn)定驗算

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017—2003）第5.4.1條壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定性的計算公式為：

相關(guān)符號含義見規(guī)范原文。

梯道墩柱左肢腹板計算高厚比H0/Tw=24.67小于容許高厚比33.0；左肢翼緣寬厚比B/T=6.17小于容許寬厚比10.7。右肢腹板計算高厚比H0/Tw=24.67小于容許高厚比33.0；右肢翼緣寬厚比B/T=6.17小于容許寬厚比10.7。因此單肢穩(wěn)定性滿足規(guī)范的要求。

3.2 樓梯墩柱計算

樓梯墩柱計算過程同主橋墩柱的計算過程一致，此處不再贅述。通過計算分析發(fā)現(xiàn)，樓梯墩柱設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求。

3.3 樁基計算

根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63—2007）第5.3.3單樁軸向受壓容許承載力[Ra]計算公式為：

式中：u為樁周長；qik為樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層厚度；AP為樁端橫截面面積；m0為清底系數(shù)；λ為修正系數(shù)；hi為樁嵌入各巖層部分的厚度；fa0為樁端處承載力基本容許值；k2為允許承載力隨深度的修正系數(shù)；r2為樁端以下土層的加權(quán)平均重度。代入具體數(shù)值計算得[Ra]=1 840 kN。

表7給出了主橋樁頂反力計算結(jié)果。

表7 主橋樁頂反力計算表 kN

單樁樁底最大軸向力：

計算得N=720 kN，故單樁樁底最大軸向力Nmax為720 kN小于容許承載[Ra]=1 840 kN，滿足要求。另經(jīng)計算，梯道樁基同樣滿足要求。

4 結(jié)論

本文通過一座典型鋼結(jié)構(gòu)人行天橋進(jìn)行靜力計算分析與驗算，詳細(xì)介紹了鋼結(jié)構(gòu)人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計以及受力計算的全過程，得出以下結(jié)論。

a）本文所設(shè)計的主箱梁和梯道箱梁強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足要求；主箱梁和梯道箱梁撓度滿足規(guī)范的要求，不需要額外設(shè)置預(yù)拱度。

b）本文所設(shè)計的主橋墩柱和梯道墩柱強(qiáng)度滿足承載力要求，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

c）該人行鋼橋的成功設(shè)計表明，采用薄壁單箱多室鋼箱梁結(jié)構(gòu)，通過對主橋箱梁與梯道箱梁承載力、撓度、穩(wěn)定性，墩柱承載力、穩(wěn)定性，基礎(chǔ)承載能力等3個方面進(jìn)行詳細(xì)計算分析，能夠成功地解決此類鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的靜力計算設(shè)計問題。