交叉斜柱鋼結構人行景觀棧橋的結構設計

熊金波

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢 430010)

人行棧橋作為城市建筑的一部分，多應用在景區、濕地公園以跨越河道、湖泊等天然障礙物，棧橋不僅給人們提供了交通、觀景、休憩的便利，同時建筑本身也是景觀的一部分。

不同于常規橋梁，景區的人行棧橋跨度不大，供游客通行，活荷載雖不大，但對于景觀要求較高，常常展現出非常規的形態。

本文以黃石園博會園內高空人行棧橋為例，該項目在保障結構安全、適用的前提條件下，較好地實現了建筑意圖，達到了較好的景觀效果。

1 工程概況

本項目位于湖北黃石市大冶湖生態新區核心區園博會園內，是連接主展館建筑與大冶湖堤的重要通道，同時也具有供游人休憩、活動、遠眺園區的多種功能。棧橋總面積為1 400 m2，全長410 m，寬度為3 m，高度3～7 m，跨越車行道路部分架空高度5 m，部分區域擴寬作為休息平臺。棧橋整體采用灰白色鋼結構橋身，橋面鋪設戶外竹木地板及預制耐候鋼金屬格板，棧橋剖面圖見圖1。

圖1 棧橋剖面圖(單位：mm)

2 結構設計

棧橋平面呈折線布置，全長410 m，上部結構采用鋼框架斜柱體系,設結構縫將上部結構分為7段，每段長35～72 m不等，棧橋橋面橫向寬度3 m、柱跨8 m，主、次梁在平面上形成三角形框架。棧橋橋墩柱采用直徑300 mm、壁厚20 mm的圓鋼管柱。鋼管柱分3種形式：單直柱、交叉斜柱和Y形柱。梁與梁之間采用栓焊連接，梁與柱之間直接焊接。基礎采用鉆孔灌注樁。

2.1 設計技術指標

1) 設計基準期。50年。

2) 環境類別。II類。

3) 設計安全等級。二級。

4) 基本荷載。面層荷載1.5 kN/m2，人群荷載5.0 kN/m2。

5) 基本風壓。0.35 kN/m2。

6) 基本雪壓。0.35 kN/m2。

7) 抗震設防烈度。6度。

8) 抗震設防類別。標準設防類(丙類)。

9) 溫差。溫升+20.75 ℃,溫降-26.5 ℃。

2.2 橋面設計

橋面橫向凈寬3 m，兩側設置不銹鋼護欄，橋面面層厚度6 cm，包括5 cm厚樟子松防腐木+1 cm厚預制耐候鋼金屬格子板，面層下設置頂標高相同的14號槽鋼，槽鋼橫向間距0.5 m。

2.3 上部結構設計

上部主體結構采用鋼框架結構，由邊主梁、橫梁及斜向次梁組成，主、次梁在平面上形成三角形框架，橫梁間距4 m，邊主梁縱向跨度8 m。邊主梁采用焊接H形鋼(H400×300×10×14)，橫梁及次梁采用焊接H形鋼(H300×200×8×10)，鋼梁材質均采用Q345B。橫梁與邊主梁栓焊連接，斜向次梁與主梁螺栓連接。

2.4 墩柱設計

為滿足景觀效果要求，墩柱采用非常規的形式，有以下幾種類型：Y形柱、交叉斜柱、豎向柱，其中交叉斜柱的兩分枝柱中軸線不在同一平面。墩柱采用鋼管柱，直徑300 mm、壁厚20 mm，材質Q345B。

2.5 節點設計

1) 邊主梁與鋼橫梁連接節點。邊柱梁與鋼橫梁栓焊連接，翼緣板采用坡口焊接連接，腹板采用高強螺栓連接[1]，邊主梁與鋼橫梁連接節點見圖2。

圖2 邊主梁與橫梁栓焊連接節點(單位：mm)

2) 邊主梁與次梁連接節點。邊主梁與次梁腹板采用高強螺栓連接，邊主梁與次梁連接節點見圖3。

3) 梁柱連接節點。鋼柱與鋼主梁間設置柱端板，鋼梁與端板焊接連接。梁柱連接節點見圖4。

圖3 邊主梁與次梁栓接連接節點(單位：mm)

圖4 梁柱連接節點(單位：mm)

4) Y形柱柱腳節點。Y形柱采用剛性外露柱腳，通過設置底板、加勁肋和錨栓與基礎連接，柱腳錨栓設置定位支架，Y形柱腳節點見圖5。

圖5 Y形柱腳節點(單位：mm)

5) 交叉斜柱柱腳節點。交叉斜柱柱腳采用半球節點，內設加勁板以提高剛度，交叉斜柱柱腳節點見圖6。

圖6 交叉斜柱型柱腳節點(單位：mm)

3 上部結構計算模型及計算結果分析

本次設計上部結構內力分析采用midas Civil 8.3.2版軟件，結構模型為空間梁單元模型，共350個節點，638個單元，桿件尺寸根據實際情況模擬，結構計算模型見圖7。

圖7 計算模型等軸視圖

計算荷載包括橋面鋪裝、結構自重、人群荷載、整體溫差、風荷載等，作用效應及其組合按《公路橋涵設計通用規范》[2]選取，人群荷載按《城市人行天橋與人行地道技術規范》[3]同時參考《建筑結構荷載規范》[4]選取。對鋼主梁、次梁、鋼柱的強度、剛度、穩定性進行了驗算。

3.1 強度驗算

交叉斜柱在豎向荷載作用下會引起鋼主梁產生水平分力，部分鋼主梁受壓、部分鋼主梁受拉，鋼主梁受壓時按壓彎構件驗算，計算長細比λX=80.6，梁的整體穩定系數Фb=0.68，彎矩作用平面內的軸心受壓構件穩定系數ФX=0.86。

分別按彎矩最大、軸力最大、剪力最大工況驗算了鋼梁的抗彎強度、抗剪強度。其中，最大壓力194 kN，最大拉力400 kN，最大剪力133 kN。鋼梁最大彎曲應力σ梁=130 MPa，小于f=310 MPa；最大剪應力τma=65 MPa，小于fv=180 MPa；鋼梁整體穩定性計算應力為201 MPa，小于f=310 MPa。

分別按軸向壓力最大、彎矩最大工況驗算了鋼柱的抗壓強度、抗彎強度。鋼柱最大軸向壓力351 kN，最大彎矩194 kN。截面正應力σ=109 MPa，小于f=295 MPa，壓彎穩定應力σX=162 MPa，小于f=295 MPa。

計算結果表明，交叉斜柱在受壓時鋼主梁受拉，且軸拉力是鋼主梁設計控制性內力，本橋鋼主梁最大軸拉力達400 kN，應予以重視。本橋最大墩高8 m，墩柱直徑0.3 m，計算長細比λ=80.6，壓彎穩定驗算為墩柱設計的，控制性工況，穩定計算最大應力σX=162 MPa,滿足設計規范要求[5]。

3.2 剛度驗算

人群荷載計算的主梁最大豎向撓度f=6.6 mm，小于規范規定的撓度限值L/600=13 mm。

3.3 屈曲分析

本橋結構比較柔，對成橋活荷載下的橋梁進行靜力屈曲分析是必要的。屈曲計算結果表明：結構一階模態為面外失穩，其穩定安全系數為16.1，穩定安全系數大于4，滿足規范要求。

4 結語

橋梁的結構形式豐富多樣，不拘一格。本設計將平面框架體系主梁、交叉斜向鋼管柱、半球型節點等技術措施應用于某鋼結構棧道橋的建設，本橋的結構設計、計算要點等方法，可為同類橋梁建設提供參考和借鑒。