大跨徑橢圓形空間變高鋼桁架人行天橋關(guān)鍵技術(shù)

俞雷

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

大跨徑橢圓形空間變高鋼桁架人行天橋關(guān)鍵技術(shù)

俞雷

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

以(80+102+88+110)m橢圓形空間變高鋼桁架人行天橋設(shè)計為背景，結(jié)合總體布置及結(jié)構(gòu)型式，對采用的支座布置、人致振動控制、節(jié)點構(gòu)造、抗風(fēng)及抗震等關(guān)鍵技術(shù)進行介紹。

空間變高桁架；T M D；黏滯流體阻尼器；鑄鋼節(jié)點

0 引言

隨著社會發(fā)展，市政交通設(shè)施特別是人行橋的形式將不限于滿足功能要求，其橋型同時要求滿足較高的美觀及舒適需求，更是城市景觀的需要；另外城市發(fā)展進程的加快，已完成的各種交通設(shè)施錯綜復(fù)雜，在復(fù)雜條件下修建天橋受到很大的限制。

不同于常規(guī)小跨徑鋼箱梁人行天橋，大跨度橢圓形空間變高鋼桁架人行天橋在支座布置、人致振動控制、節(jié)點構(gòu)造、抗風(fēng)及抗震設(shè)計等方面均有鮮明的特點。鑒于此，本文結(jié)合工程實例——上海市某人行天橋工程，對該類橋梁設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行闡述和探討。

1 工程概況

1.1 總體布置

由于快速路地道、地鐵隧道、主干路與次干路交叉等條件的限制，天橋僅能在交叉口4個象限內(nèi)設(shè)置主墩，使得跨度最終確定為（80+102+88+ 110）m。橢圓形人行天橋滿足人行過交叉口的功能要求，同時空間變高鋼桁架結(jié)構(gòu)滿足建筑造型需要。人行天橋總體布置如圖1所示。

人行天橋平面呈橢圓形布置，橢圓長軸約158.9 m，短軸約106.5 m。主橋跨徑布置為（80+ 102+88+110）m=380 m，跨徑布置不均勻。從改善內(nèi)力分布，均衡支座反力角度出發(fā)，橋面結(jié)構(gòu)短跨采用壓型鋼板組合混凝土板，長跨采用鋼橋面板。

圖1 人行天橋總體布置

主橋橋?qū)?.3 m（凈寬6 m），天橋的建筑外形采用了空間結(jié)構(gòu)型式，底面為橋面板，頂棚由鈦鋅面板覆蓋，兩側(cè)為高低錯落的桁架，桁架高度在3.15～7.85 m。鋼梁橫斷面和鋼桁架典型橫斷面分別如圖2和圖3所示。

圖2 橋梁橫斷面

圖3 鋼桁架典型橫斷面布置

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

空間桁架下弦采用箱形截面桿件，上弦、腹桿均采用圓管。桁架主要桿件尺寸表見表1。

表1 桁架主要桿件尺寸表

橋墩采用箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂面設(shè)轉(zhuǎn)換托板以支撐鋼桁架下弦對應(yīng)的5個節(jié)點；其分別對應(yīng)5個支座，支座采用側(cè)向彈性球形可調(diào)高支座（其中橢圓外側(cè)中間支座僅提供水平剛度，不提供豎向支撐）；結(jié)構(gòu)在恒載工況下支座不出現(xiàn)拉力。主墩部位透視圖如圖4所示。

圖4 主墩部位透視圖

主墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，每個橋墩承臺下設(shè)置11根鉆孔灌注樁。為提高結(jié)構(gòu)整體剛度，抵抗水平荷載較大的水平力，樁基采用變樁徑方案，上部20 m直徑為1.2 m，其余范圍直徑為0.85 m，采用樁端注漿措施改善樁端承載特性。

2 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 支座布置

主橋為橢圓形布置，跨徑不均勻，且主梁為空間變桁高結(jié)構(gòu)，在整體溫差及梯度溫度場作用下，結(jié)構(gòu)在水平方向上的變形不對稱。主墩支座的水平約束采用雙向釋放方式，支座的任意方向均可滑動，并加水平向彈簧剛度（k=20 k N/c m）以均勻釋放溫度內(nèi)力。水平向釋放示意圖和主墩支座平面布置如圖5和圖6所示。

圖5 水平向釋放示意圖

圖6 主墩支座平面布置

2.2 人致振動控制

2.2.1 國內(nèi)外規(guī)范及本橋設(shè)計標準

目前我國橋梁設(shè)計規(guī)范《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69—1995）中有相關(guān)條文：“為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 H z。”該條文主要針對小跨徑天橋，對于大跨徑橋梁很難滿足。

人致振動是大跨度人行橋的一個突出問題，人橋共振將顯著加大人行橋的動力時程響應(yīng)以致超過人體的舒適度指標，因此針對如此大跨的天橋，人行橋進行動力時程響應(yīng)分析并據(jù)此進行振動控制是十分必要的。

國外在結(jié)構(gòu)振動舒適度方面較為領(lǐng)先。英國規(guī)范B S5400和歐盟規(guī)范E u r o C o d e采用峰值加速度指標標準，國際標準化組織I S O 10137和瑞典規(guī)范B r o2004中則采用均方根加速度指標標準，而國際標準化組織I S O 10137條和瑞典規(guī)范B r o2004中的有效加速度(即均方根加速度)與峰值加速度之間近似成倍數(shù)關(guān)系，后者大約為前者的1.4倍。各規(guī)范之間的加速度指標比較表見表2。

從比較結(jié)果可以看出，4個規(guī)范規(guī)定的加速度指標標準均比較接近，另外只有國際標準化組織I S O規(guī)定了靜止行人的舒適度指標值，并明確其應(yīng)降為行人運動中舒適度指標值的一半。

結(jié)合國外規(guī)范限值，該工程人致振動的設(shè)計標準為：豎向加速度峰值不大于0.5 m/s2，側(cè)向加速度峰值不大于0.15m/s2。

表2 各規(guī)范之間的加速度指標比較表

2.2.2 減振技術(shù)措施

該橋采用設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（T M D）和黏滯阻尼器以減小人行激勵下的振動響應(yīng)。在每跨跨中區(qū)域設(shè)置7個豎向T M D，3個水平向T M D；T M D總重量占上部結(jié)構(gòu)總重量的1.1%；在每個橋墩處施加了7個橫向雙耳環(huán)式非線性黏滯流體阻尼器。T M D及黏滯流體阻尼器和主墩墩頂阻尼器布置平面如圖7和圖8所示。

圖7 TMD及黏滯流體阻尼器

圖8 主墩墩頂阻尼器布置平面

通過理論計算，結(jié)構(gòu)豎向第一階自振頻率為1.92 H z，水平向第一階自振頻率為1.0 H z。采取減振措施后，跨中豎向加速度最大值由4.0 m/s2降為0.392 m/s2，支座處最大橫向加速度由0.86 m/s2降為0.036 m/s2，均滿足設(shè)計標準。

由于結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼的實際值與理論值總會出現(xiàn)差別，T M D的頻率和阻尼比參數(shù)應(yīng)現(xiàn)場可調(diào)，以便應(yīng)對實際條件發(fā)生變化導(dǎo)致主結(jié)構(gòu)的固有頻率改變。設(shè)備提供商通過深化設(shè)計、制作及調(diào)試后運用于本工程的減振系統(tǒng)應(yīng)達到既定的減振控制指標。

2.3 弦桿、腹桿節(jié)點構(gòu)造

2.3.1 節(jié)點構(gòu)造

該工程天橋結(jié)構(gòu)型式為空間鋼桁架型式，由上、下弦桿與腹桿連接而成，空間交匯桿件較多，節(jié)點構(gòu)造較復(fù)雜。

2.3.1.1 下弦節(jié)點

下弦節(jié)點為箱形鋼梁與圓腹桿相貫連接，在鋼梁內(nèi)部再加插片以保證節(jié)點的剛度。這種節(jié)點型式在以往的空間結(jié)構(gòu)工程中得到了廣泛運用。下弦節(jié)點及內(nèi)部構(gòu)造如圖9所示。

圖9 下弦節(jié)點及內(nèi)部構(gòu)造

2.3.1.2 上弦節(jié)點

上弦節(jié)點由于各桿件基本不在規(guī)則平面內(nèi)，導(dǎo)致構(gòu)造工藝較為復(fù)雜。通過對鋼管相貫、鋼管插板、鑄鋼節(jié)點多方案比選，最終確定采用鑄鋼節(jié)點方案。

采用鑄鋼節(jié)點在節(jié)點構(gòu)造及焊接難度上優(yōu)勢明顯。由于當(dāng)前技術(shù)的進步，采用鑄鋼節(jié)點已經(jīng)是一項比較成熟的工藝；在制作環(huán)節(jié)上進行嚴格質(zhì)量控制，其節(jié)點的受力性能及施工難易程度遠優(yōu)于其他節(jié)點型式。上弦節(jié)點及透視圖如圖10所示。

圖10 上弦節(jié)點及透視圖

2.3.2 節(jié)點分析

選取受力最不利的鑄鋼節(jié)點進行空間計算分析，節(jié)點細部建模采用A N S Y S軟件中的S ol id185實體單元。鑄鋼節(jié)點實體分析M is e s應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11 鑄鋼節(jié)點實體分析Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)計算結(jié)果，節(jié)點在最不利工況下最大M is e s應(yīng)力為135 MPa。在圓管相交處有應(yīng)力集中區(qū)，但應(yīng)力水平低于所用材料（Q420鋼）的屈服應(yīng)力的0.6倍，滿足設(shè)計要求。

2.3.3 節(jié)點試驗

鑄鋼節(jié)點目前無成熟設(shè)計規(guī)范，除了進行詳細的有限元計算以外，還須借助試驗手段對節(jié)點的受力特點、應(yīng)力分布等情況進行深入研究。為了防止尺寸效應(yīng)對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，節(jié)點試驗采用足尺比例。試驗結(jié)果表明，鑄鋼節(jié)點試件受力性能良好、安全可靠。鑄鋼節(jié)點試件及實驗照片如圖12所示。

圖12 鑄鋼節(jié)點試件及實驗照片

2.4 抗風(fēng)設(shè)計

該橋為復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，天橋頂部、底部面板、玻璃護欄以及橋墩之間會產(chǎn)生強烈的氣流干擾，且天橋頂棚造型復(fù)雜，剛度較低，對風(fēng)荷載比較敏感，現(xiàn)有風(fēng)荷載規(guī)范較難確定風(fēng)荷載參數(shù)。因此，有必要借助風(fēng)洞技術(shù)獲得該結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載及風(fēng)振響應(yīng)，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計和頂棚設(shè)計提供較為科學(xué)、準確的依據(jù)。剛體模型風(fēng)洞實驗照片如圖13所示。

圖13 剛體模型風(fēng)洞實驗照片

利用試驗數(shù)據(jù)及數(shù)值模型得到結(jié)構(gòu)整體風(fēng)振系數(shù)及風(fēng)荷載體型系數(shù)，結(jié)合計算模型就可以得到整體結(jié)構(gòu)在各個風(fēng)向角下的風(fēng)荷載大小，并應(yīng)用到設(shè)計中。

2.5 抗震設(shè)計

該橋?qū)儆诜且?guī)則橋梁，應(yīng)進行多振型反應(yīng)譜法以及線形或非線形時程計算方法，計算模型中考慮了樁土共同作用。結(jié)構(gòu)的動力特性見表3。

小震作用E1內(nèi)力按照反應(yīng)譜分析得出，大震作用E2內(nèi)力按照考慮黏滯阻尼器耗能作用的非線性時程分析得出。結(jié)構(gòu)1～4階振型如圖14所示。

通過反應(yīng)譜法和時程分析法進行抗震分析，計算表明在E1、E2地震作用下，主墩、樁基均能滿足受力要求。

表3 結(jié)構(gòu)的動力特性

圖14 結(jié)構(gòu)1～4階振型

3 結(jié)語

（1）大跨徑橢圓形空間變高鋼桁架結(jié)構(gòu)滿足人行天橋總體布置、功能及美觀的需要，但對結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來難度和挑戰(zhàn)。

（2）現(xiàn)行人行天橋規(guī)范中豎向頻率控制的方法對大跨徑人行天橋并不適用，舒適度控制成為人行天橋人致振動控制的新方法，T M D和黏滯阻尼器的應(yīng)用較好地解決了本橋人致振動控制問題。

（3）鑄鋼節(jié)點較好地解決了多桿件交匯節(jié)點構(gòu)造，工藝成熟，費用合適，在人行天橋等疲勞荷載小的結(jié)構(gòu)中可以推廣采用。

（4）在抗風(fēng)、抗震設(shè)計中應(yīng)充分重視復(fù)雜非規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)的特點。

[1]陳政清，華旭剛.人行橋的振動與動力設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2009.

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[5]CECS 235—2008,鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

U448.11

B

1009-7716（2017）06-0118-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.034

2017-03-09

俞雷（1980-），男，上海人，高級工程師，從事橋梁設(shè)計工作。