大跨預(yù)應(yīng)力鋼箱梁天橋設(shè)計(jì)在城市建設(shè)中的應(yīng)用

張魯明，王利偉，岳章勝

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,山東 青島 226061）

大跨預(yù)應(yīng)力鋼箱梁天橋設(shè)計(jì)在城市建設(shè)中的應(yīng)用

張魯明，王利偉，岳章勝

（青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,山東 青島 226061）

從鋼箱梁天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基頻控制等方面闡述了鋼箱梁人行天橋設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的幾個(gè)問題，將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入到大跨鋼箱梁天橋設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用桁架單元溫度驟降法施加預(yù)應(yīng)力，分析鋼箱梁結(jié)構(gòu)性能，并在港工建設(shè)工程上得到了應(yīng)用。

鋼箱梁；人行天橋；基頻；預(yù)應(yīng)力

0 引言

隨著城市道路越來越寬，中央隔離綠化帶中城市管線布置復(fù)雜，后期遷改難度較大，人行天橋的單孔跨徑不斷增大，對(duì)大跨徑人行天橋的需求越來越多。鋼橋跨越能力強(qiáng)，道路中間可不設(shè)中間墩，視野通透，在工程中被廣泛采用。將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入鋼結(jié)構(gòu)，不僅可以改善結(jié)構(gòu)的靜力性能，還可以改善其動(dòng)力性能。預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁橋是在鋼箱梁內(nèi)設(shè)置體外無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力索而形成的索梁共同受力的組合梁橋[1]。本文分析了預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁的結(jié)構(gòu)性能和固有頻率。

1 基頻計(jì)算

1.1人行荷載特點(diǎn)及設(shè)計(jì)規(guī)范

研究表明亞洲人的正常行走頻率介于1.6 Hz和2.4 Hz之間，因此，人行豎向激勵(lì)的傅立葉級(jí)數(shù)基頻大約是2 Hz，其他主要成分有4 Hz、6 Hz和8 Hz。理論上，當(dāng)人行橋的自振頻率落在人行激勵(lì)基頻（2 Hz）或高階頻率（4 Hz，6 Hz，8 Hz）附近時(shí)，人行橋就可能發(fā)生共振，因此我國《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[3]規(guī)定，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不小于3 Hz。

各國規(guī)范對(duì)于人行天橋自振頻率的規(guī)定也有所不同。CEB（1993）和SIA160（1989）建議設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免使人行橋的豎向振動(dòng)固有頻率落在1.6～2.4 Hz之間，對(duì)低阻尼結(jié)構(gòu)還應(yīng)避免落入3.5～4.5 Hz的范圍內(nèi)；日本規(guī)范要求豎向振動(dòng)固有頻率不應(yīng)該落在 1.5～2.3 Hz范圍之內(nèi)；美國AASHTO規(guī)范和我國規(guī)范都要求豎向振動(dòng)基頻應(yīng)大于3 Hz。

1.2 預(yù)應(yīng)力鋼箱梁的自振頻率

大跨預(yù)應(yīng)力鋼箱梁動(dòng)力特性影響因素較多，自振頻率計(jì)算時(shí)需做了以下假定[4]：

（1）預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁符合平截面假定。

（2）梁的剪切和軸向變形忽略不計(jì)。

（3）預(yù)應(yīng)力鋼索與鋼套管的摩擦忽略不計(jì)。

（4）梁的振動(dòng)為無阻尼的彈性體振動(dòng)。

自振頻率計(jì)算：

曲線型布索的預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁模型[2]，如圖1所示。

圖1 曲線型布索的預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁模型

建立鋼箱梁的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 曲線型布索的預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁的受力

式（1）中：N0ph為預(yù)加力Np的水平分量初始值。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本工程為某港口散貨碼頭工程的一部分，下部海洋平臺(tái)根據(jù)工藝要求已經(jīng)設(shè)計(jì)并施工完成，因此人行橋的跨徑被限定，分別為49.7 m、53 m、56 m和60 m四種。上部結(jié)構(gòu)采用的主要材料包括：

（1）鋼材：人行橋鋼箱梁均采用Q345D鋼材，搭接鋼橋及部分輔助性鋼材（鋼梯等）采用Q235B鋼，抗拉錨栓采用R235鋼加工；

（2）預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨具：體外預(yù)應(yīng)力束采用環(huán)氧噴涂無粘結(jié)成品索外包HDPE，紡錘形轉(zhuǎn)向器，TSK型錨具。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4座人行橋的主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算采用桿系有限元模型，其中體外預(yù)應(yīng)力采用桁架單元模擬，桁架單元與梁單元通過豎向剛度無限大的豎向彈簧單元模擬，為模擬體外預(yù)應(yīng)力的受力特性，模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線的桁架單元在轉(zhuǎn)向點(diǎn)處與鋼結(jié)構(gòu)梁單元節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，以達(dá)到限制縱向位移的目的。如圖3、圖4所示。人行天橋結(jié)構(gòu)各構(gòu)件尺寸見表1。

圖3 人行鋼橋有限元圖

圖4 人行鋼橋箱梁斷面布置圖（單位：mm）

表1 人行鋼橋截面各板件尺寸

2.3 設(shè)計(jì)荷載

主橋結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算包括施工階段和運(yùn)營階段分析，施工階段荷載包括一期恒載，預(yù)應(yīng)力張拉，二期恒載；運(yùn)營階段荷載有人群荷載和風(fēng)荷載按最不利效應(yīng)進(jìn)行組合。

各項(xiàng)荷載計(jì)算如下：

一期恒載：由軟件自動(dòng)計(jì)入，橫隔板自重按集中荷載作用在節(jié)點(diǎn)上。

二期恒載：包括橋面聚氨脂橡膠鋪裝及護(hù)欄，按5 kN/m計(jì)；

人群荷載：橋面寬3.2 m，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)按3.5 kN/m2，取11.2 kN/m；

風(fēng)荷載：根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015），橫縱橋向風(fēng)荷載假定水平地垂直作用于橋梁各部分迎風(fēng)面積的形心上，標(biāo)準(zhǔn)值按式（2）至式（5）計(jì)算。

V10取為35.2 m/s，較為保守地認(rèn)為系梁處對(duì)應(yīng)Z=11 m的情況。

風(fēng)荷載作用于橫橋向，計(jì)算橫橋向風(fēng)荷載各個(gè)參數(shù)如表2所示。

2.4 主橋上部結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果

由于4座鋼橋均為簡支邊界，所以選取各座橋梁跨中截面作為控制截面，驗(yàn)算跨中截面在荷載組合作用下截面應(yīng)力值。

（1）成橋階段應(yīng)力驗(yàn)算

表2 人行鋼橋橫橋向風(fēng)荷載計(jì)算

成橋階段各座鋼橋跨中截面上下翼緣的應(yīng)力值如表3所示。

表 3成橋階段各控制截面應(yīng)力及變形值

由表3可以看出，主橋在成橋階段，最大應(yīng)力發(fā)生在主跨跨中截面下翼緣，最大拉應(yīng)力均＜210 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。成橋狀態(tài)下計(jì)算得到的跨中最大撓度應(yīng)在梁段設(shè)置預(yù)拱度時(shí)給予消除。

（2）正常運(yùn)營階段應(yīng)力驗(yàn)算

主橋進(jìn)入正常運(yùn)營階段，承受可變荷載作用，包括人群荷載，風(fēng)荷載等。

主橋在荷載組合作用下應(yīng)力和變形情況如表4所示。

從表4中看出，在正常使用條件下，鋼梁最大拉應(yīng)力發(fā)生在主跨跨中截面下翼緣，各座橋的最大應(yīng)力均小于鋼材容許應(yīng)力210 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 正常運(yùn)營階段各控制截面應(yīng)力及變形值

4座鋼橋在正常運(yùn)營階段標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下應(yīng)力分布情況如圖5-8所示。

圖5 49.7 m人行鋼橋正常運(yùn)營階段應(yīng)力圖

圖6 53 m人行鋼橋正常運(yùn)營階段應(yīng)力圖

圖7 56 m人行鋼橋正常運(yùn)營階段應(yīng)力圖

圖8 60 m人行鋼橋正常運(yùn)營階段應(yīng)力圖

2.5 主橋結(jié)構(gòu)撓度計(jì)算

4座鋼橋在人群荷載作用下位移變形值如表5所示。

表5 人群活載作用下主梁跨中撓度

主橋在主跨滿布人群荷載作用下活載撓跨比均<1/600，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

2.6 主橋結(jié)構(gòu)預(yù)拱度計(jì)算

為減小主梁在正常使用階段出現(xiàn)過大撓曲變形，鋼箱梁在工廠制作時(shí)預(yù)先設(shè)置了預(yù)拱度。根據(jù)規(guī)范要求，主橋預(yù)拱度可按恒載+1/2靜活載作用下的主梁撓度設(shè)置鋼箱梁預(yù)拱度。

由MIDAS軟件計(jì)算得到，主橋上部結(jié)構(gòu)在恒載+體外預(yù)應(yīng)力+1/2靜活載作用下主跨跨中最大撓度如表6所示。

2.7 主橋結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì)算

采用MIDAS軟件分析4座人行橋上部結(jié)構(gòu)在簡支邊界下的固有頻率如表7所示。

表6 各座人行鋼橋的預(yù)拱度計(jì)算

表7 人行橋固有頻率

3 結(jié)語

（1）大跨度人行鋼箱天橋設(shè)計(jì)，將預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入鋼結(jié)構(gòu)，可以很好的改善結(jié)構(gòu)的靜力性能，提高鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)的承載能力；

（2）預(yù)應(yīng)力鋼箱梁相比于普通鋼箱梁，箱梁梁高大約低30%，橋梁景觀效果較好；

（3）人行天橋設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮行人行走的舒適性，如頻率接近行人行走的頻率會(huì)產(chǎn)生不舒適感；

（4）鋼箱梁人行天橋控制設(shè)計(jì)的主要因素是自振頻率，而現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的人行天橋的自振頻率對(duì)大跨鋼箱梁影響較大，作者認(rèn)為有必要對(duì)規(guī)范的適用性做進(jìn)一步研究。

[1]王佳偉，賈艷敏.預(yù)應(yīng)力簡支鋼箱梁自振頻率研究[J].工程力學(xué), 2009（4）:27-30.

[2]沈曄，葛春輝.人行橋自振頻率的分析與計(jì)算[J].特種結(jié)構(gòu),2004（3）：53-55.

[3]CJJ69-95，城市人行橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

[4]龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程Ⅱ[M].北京：高等教育出版社，2011.

U448.15

B

1009-7716（2017）09-0081-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.023

2017-05-08

張魯明（1982-），男，山東青島人，工程師，碩士，從事市政、軌道交通設(shè)計(jì)工作。