復雜環境條件下城市人行天橋設計及結構處理措施探討

關清杰，張忠偉

（中國市政工程東北設計研究總院有限公司，吉林 長春 130021）

0 引言

近年來，隨著經濟建設的發展，私家車及公共交通車輛日益增多，為提高城市路網的通行能力，確保行人過街安全、方便，城市過街設施的建設日益增多。其中，主要過街設施就是人行天橋。城市人行天橋可以實現行人在道路上方通過，車輛在下方行駛，避免相互干擾，即保證了行人安全，也加快了車輛通行速度，避免交通堵塞。因此，越來越多的城市開始重視城市天橋的建設。本文以長春市新民廣場過街天橋為背景，探討復雜外部環境條件下城市人行天橋設計方法，以及結構處理的一些措施[1-11]。

1 工程概況

新民廣場地處長春市繁華地帶，該廣場環形交叉口連接延安大街、工農大路、新民大街、自由大路、工農大路。這5條道路均為長春市的主干路，人流量、車流量均很大。廣場南側的南湖公園占地總面積為222萬m2，為全國性的市內公園，節假日客游量很大。西南側的歐亞新生活商場是集購物、體驗、娛樂、餐飲、教育、智能、觀光于一體的購物商場，人流量很大。有大量居民或游客需要往返于歐亞新生活商場與南湖公園之間，同時延安大街的車流量也很大，不僅經常造成交通堵塞，而且行人也很不安全，新民廣場過街天橋就是在此背景下被提出來建設的。新民廣場過街天橋起點為延安大街南湖側綠化帶，終點為歐亞新生活商場二樓，其橋位見圖1所示。

橋梁上部結構采用下承式鋼桁連續梁橋，上下弦桿采用箱形截面，高40 cm，寬25 cm，腹桿也采用箱形截面，高20 cm，寬25 cm。下部結構采用鋼筋混凝土柱式墩，托梁加樁的“門”字形基礎。綜合考慮跨越道路、地下管線、人防、地下室等構筑物后，該天橋孔跨布置為37.8 m+19.79 m+15.95 m=73.54 m，最大跨徑為37.8 m，該跨跨越延安大街；中跨為19.79 m，該跨跨越商場內道路；最后一跨為懸臂跨，跨度為15.95 m，端部接歐亞新生活購物廣場二樓，滿足游客可以不出購物商場，直接抵達南湖公園的需求。桁架總高度為3.8 m，總寬度6.3 m，通行凈寬為5.3 m，如圖2所示。3號墩處在保持桁架上下弦桿連續的同時，取消斜桿，增設豎桿，設行人出入口，滿足商場以外人員的過街需求。1號墩處橋面距離地面高度為9.12 m，高差較大，在1號墩處設置上下梯道的同時，設置一部自動扶梯，主要滿足老人、小孩及殘疾人的通行需求。為給人行創造更加舒適的通行環境，在桁架的頂部搭設玻璃雨棚。

圖1 天橋地理位置圖

圖2 橋型布置圖(單位：cm)

2 主要技術標準

（1）人群荷載：根據人行橋設計規范中規定，梁、桁架、拱及其他大跨結構，全橋加載時取人群荷載為3.5 kPa；單跨加載時取最不利荷載為4.3 kPa。

（2）恒載：一期恒載：鋼材 ρ＝7.85×103kg/m3；二期恒載：主要包括玻璃雨棚、橋面鋪裝、欄桿、LED屏幕等，共計14.7 kN/m。

（3）溫度梯度：考慮混凝土橋面板影響，在日照作用下鋼橋下弦桿與上部桿件之間存在溫差。計算取正負5℃溫差。

（4）風載：取百年一遇，長春地區基本風速35.4 m/s。

（5）雪荷載：取百年一遇，雪荷載0.5 kPa。

（6）基礎沉降差：計算取橋墩基礎沉降差10 mm，按照最不利沉降差組合進行計算。

（7）天橋上部結構懸臂端由人群荷載計算的最大豎向撓度容許值為L/300。桁架跨中最大豎向撓度容許值為L/500。

（8）為了避免共振，同時減少行人的不安全感，人行天橋上部結構豎向一階主振型頻率控制大于3 Hz。

（9）將主橋恒載和活載均作為可變量基數值，一階屈曲穩定系數應不小于4.0。

3 結構設計難點及處理措施

3.1 降低天橋上部結構建筑高度的結構形式研究

天橋作為一種過街設施，其一般為城市主要建筑形成后，根據后期交通發展需求，為確保行人過街安全、方便而修建的建筑。該類建筑一般的設計原則是：施工快速，避免對其下方道路的交通產生較長時間的干擾；最好能結合景觀設計，使其成為一道城市的亮麗風景；要與周圍環境協調統一，避免給人產生突兀的感覺；方便行人過街，為行人提供理想、舒適的通行環境。長春地處東北，冬季氣候寒冷，夏季炎熱，為增加通行舒適性，因此在橋梁設計時增加了雨棚設計，為行人提供更理想的通行條件。人行天橋的上部結構形式種類很多。結合天橋的設計原則，該項目在設計時，分別考慮了混凝土連續梁、鋼箱梁及鋼桁架梁三種設計方案。

（1）方案一：上部結構采用現澆預應力混凝土箱梁，梁高為1.9 m，雨棚的凈高為2.7 m，主梁加雨棚的高度為4.6 m。由于為現澆混凝土結構，施工周期比較長。

（2）方案二：上部結構采用鋼箱梁，梁高為2 m，雨棚的凈高同樣取2.7 m，主梁加雨棚的高度為4.7 m。鋼箱梁可在工廠加工制造，分節段運輸到現場安裝，施工周期相對較短。

（3）方案三：上部結構采用下承式鋼桁梁，雨棚的凈高仍按2.7 m設計，可在桁架頂端架設雨棚，減少了另設雨棚支架的高度，整體高度為3.8 m，如圖3所示。桁架桿件可采用工廠制造，現場拼裝，施工周期相對較短。

圖3 下承式桁架立面圖(單位：cm)

綜上所述，在需要設置雨篷的人行天橋橋梁中，上部結構采用下承式鋼桁梁可降低橋梁的整體建筑高度，避免兩側梯道設置過高，不利于行人上下，同時較小的建筑高度，可使橋梁結構與周圍環境更好地融合。桁架桿件可在工廠加工制造，構件運到現場安裝，靈活方便，同時施工速度也較快。桁架結構剛度大，跨越能力強，通透性好；同時桁架結構與雨棚結合為整體，景觀效果較好。通過以上分析比較，上部結構采用下承式鋼桁梁橋相對于方案一與方案二優勢非常明顯。

3.2 管線等地下設施的避讓措施

該項目地處長春市老城區繁華地帶，新建地下管線及既有的管線錯綜復雜，地下大量分布著雨水管、污水管、給水管、消防水管、軍用光纖、移動光纖、聯通光纖。該處還有地下人防工程及商場的地下室，且橋梁建成后不能占用市政人行道的空間，同時需要躲避地面上既有樹木，保證綠化。因此，該橋的樁位布置異常困難。該橋1號墩設計位置為原有綠帶，其下分布有給水管、軍用光纖及移動光纖。在1號墩湖西路側梯道除了包含新民廣場側的地下管線，同時在綠化帶處地面上還長有三顆直徑1 m左右的楊樹。在2號、3號墩處，地下除了含有雨水管、污水管、給水管、消防水管、移動光纖、聯通光纖等新建的管線，還有抗日戰爭時日本人修建的地下人防工程，且由于年代久遠資料不全，人防工程中已積滿水，無法準確測量，對橋梁孔徑布置，以及樁位布置都帶來了很大的考驗。

基礎遇見地下設施，通常選擇避讓的方式，即調整跨度，使橋墩避開地下設施，或者是改變基礎形式。最后選擇何種方式，要根據項目的具體條件進行確定。根據該工程基礎需要避讓的地下管線及結構眾多的現狀，且人防工程是沿橋軸線走的，采用普通基礎形式根本無法對人防工程進行避讓。該項目的設計思路是首先根據地上條件確定橋梁孔跨，根據孔跨確定橋墩的位置，再結合橋墩位置及地下管線、人防、地下室等位置，設計了樁基加托梁的門架式基礎，樁徑為1.4 m，托梁厚度為1.5 m，用于支撐橋墩，橋墩直徑為1 m（見圖4）。該種基礎形式成功地避讓了地下的各種設施。最后一跨梁端因受商場地下室限制，無法布置橋梁墩臺。因此，該跨不布置墩臺，采用懸臂跨與商場二樓樓板直接相接。為保護城市綠化，盡量不砍伐既有樹木的原則，梯道可設置成折線形梯，成功躲避了地下管線及地上的樹木，從而保證了人行天橋的順利完成。

圖4 門架式基礎布置圖(單位：m)

3.3 下承式桁架中間設置梯道出入口的結構型式研究

鋼桁架結構主要由上弦桿、下弦桿及腹桿組成，在桁架的中間設置梯道人員出入口時，出入口凈寬及凈高的要求通常與斜腹桿發生沖突，因此大部分鋼桁架橋只是在兩端設置進出口，而不在桁架中間設置進出口與梯道連接。該橋因為孔跨布置受各種管線的限制，且同時需要滿足行人通行的需求，必需在3號墩的位置處設置一梯道，并在主梁上留出人員出入口。若在3號墩處將主梁斷開，采用兩段梁進行設計，因在商場側無法設置橋墩，3號墩與商場之間為懸臂端，也需要在3號墩頂桁架結構連續不能斷開，故此方法無法實現。

綜合研究后，該橋在3號墩位置處采取了在梯道出入口處截斷斜腹桿，采用了兩根豎向支點加強腹桿設計，而保持上弦桿及下弦桿連續，同時在3號墩處增設一個支承點，由原來與2號墩相似的單支點調整成順橋向雙支點橋墩，來保證主梁的結構穩定性及受力合理性（見圖5）。通過這種局部的調整，解決了梯道出入口與斜腹桿沖突的問題，滿足了結構出入口接懸臂梁的設計要求。采用兩根豎向加強腹桿，配合雙支座設計的出入口，應該注意雙支座中在遠離懸臂端的另一支座（3 a）中，會產生拉力（見圖6），因此應根據拉壓荷載在該處設置拉壓支座。

圖5 桁架中間出入口結構圖(單位：cm)

圖6 結構支反力圖（單位：kN）

3.4 懸臂梁端與商場二樓樓板間無縫連接措施

橋梁懸臂端直接與商場二樓樓板相接，由于連接處地面以下為商場地下室，無法單獨設立橋墩，且商場該處也沒橫梁可供搭接，故商場側橋垮只能采用懸臂梁設計。橋梁懸臂端與樓板連接處，除了有順橋向的位移，由于荷載的變化，還會產生垂直上下的位移及轉角，因此該處橋梁與樓板的連接也是該項目設計的難點之一。常規橋梁設計的伸縮縫有模數式伸縮縫、梳齒板式伸縮縫等，這些伸縮裝置一般都只能適應順橋向位移及轉角的變化，而不能滿足橋梁懸臂端存在豎向位移的情況，因此普通橋梁伸縮縫并不適合作為該橋懸臂端的伸縮縫。

通過計算，在人群荷載作用下，該橋懸臂端的最大豎向向上位移為1.7 mm，向下位移為19.3 mm；轉角為0.057°。溫度荷載作用下最大水平位移開口量為18 mm，閉口量為12.4 mm。經過多方面的比較研究，同時以建筑專業的樓面嵌平型變形縫進行參考，對該橋的伸縮縫進行了設計。用?8的塑料脹錨螺栓把鋁合金基座分別固定在天橋懸臂端和商場的樓板上，在鋁合金基座上設置熱塑性橡膠條，通過橡膠條的變形既滿足了橋梁順橋向的位移要求，同時也滿足了懸臂端轉角及豎向位移變形的要求，伸縮縫的構造見圖7所示。

圖7 懸臂端伸縮縫構造圖（單位：cm）

3.5 室外人行天橋自動扶梯冬季防護措施

東北地區由于冬季氣候寒冷，并且有雨雪結冰等問題，無法保障自動扶梯的運行安全。因此，以前設計的人行天橋都沒有配備自動扶梯。該項目為增加行人過天橋的舒適性，特別是滿足老人、兒童和殘疾人過街需求，設計了東北地區第一座帶自動扶梯的人行天橋。人行天橋的自動扶梯在室外，且無法采暖，如何保證運行部件不被凍結引起事故，保證電梯正常運行是首要解決的問題。為解決這一技術難題，通過深入研究，最后通過在電梯上加設全封閉的防護棚，起到保溫的作用，從而保證自動扶梯內部的溫度；另外一個措施是在電梯的頂部和梯腳處設置兩處電加熱裝置，從而保證電梯在冬季運行過程中，上下端的潤滑油能以液態的形式在電梯運行中起到潤滑的作用，從而保證電梯在冬季的正常動行。華北地區（北京、天津等）有的人行天橋配備有自動扶梯，自動扶梯也設置了電加熱裝置，但其加熱裝置大多不需要其與扶梯驅動系統同時運行，而東北地區天橋自動扶梯需要電加熱裝置與驅動系統同時運行，且電加熱系統應根據運行環境設計更大功率。

4 天橋結構計算

4.1 計算模型

結構計算采用MIDAS CIVIL V8.3.2軟件，建立空間桿系單元模型（見圖8）。計算模型采用空間梁單元模擬鋼桁架，其中結點數量為354個，單元數量為505個。支點采用鉸接，橋面板及加勁板采用均布荷載形式加在相應單元位置，其余有關計算參數和假定以現行國家有關設計規范、規程為依據。

圖8 計算模型

4.2 屈曲穩定驗算

將主橋恒載和活載均作為可變量基數值，主橋一階屈曲模態為主橋的整體橫向面外失穩，一階屈曲穩定系數為14.787＞4.0，見圖9所示，滿足規范要求。

圖9 一階屈曲模態

4.3 撓度計算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D 64-2015）對結構和構件的變形進行控制，天橋上部結構懸臂端由人群荷載計算的最大豎向撓度容許值為L/300。桁架跨中最大豎向撓度容許值為L/500。

根據MIDAS CIVIL計算結果，見圖10所示，懸臂端由人群荷載產生的豎向撓度為19.3 mm＜16 000/300=53.3（mm），第一跨跨中由人群荷載產生的豎向撓度為15.8 mm＜37800/500=75.6（mm），故結構撓度驗算滿足規范要求。

圖10 人群荷載撓度包絡圖（單位：mm）

4.4 自振頻率驗算

為了避免共振，減少行人的不安全感，人行天橋上部結構豎向一階主振型頻率控制其不應小于3 Hz。

通過MIDAS CIVIL計算，得到鋼桁架橋第一階豎向自振頻率為3.65 Hz＞3 Hz，見圖11所示，自振頻率滿足規范要求。

圖11 一階豎向振型

4.5 強度驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015），按基本組合驗算結構的強度，由圖12可知，在應力分析結果中，所有桿件中最大拉應力為166 MPa，最大壓應力為184 MPa，各主要桿件應力均滿足規范要求。

圖12 桁架結構應力圖（單位：MPa）

5 天橋結構設計發展展望

天橋并不是一件孤立的公共建筑，而是和整個城市系統的交通效率、步行友好相關，需要在城市尺度的參照上組織研發，不應只注重搞那些“新、奇、特”的結構。在天橋設計時，應“以人為本”，并注重朝以下幾個方面發展。

（1）城市天橋應是沒有存在感卻又滿足需求的，要求結構建筑高度低，通透性好，與周圍環境相融合。

（2）好的天橋能降低步行難度，最好能人性化到讓人像“平面過街”一樣容易，在利用好周圍地形條件，降低天橋高度的同時，如現在越來越多天橋配備自動扶梯，升降電梯等。

（3）方便行人的同時，也考慮自行車、電動車，以及殘疾人過街。

（4）天橋最好能構件標準化。構件可以在工廠集中進行生產，在現場進行拼裝，就象搭積木一樣，這樣既便于控制質量，又可加快施工速度。

（5）新材料的研發。通過材料的研發，促進橋梁結構形式的發展與進步，滿足人們對橋梁功能要求的同時，設計出符合環境友好的橋梁。

人行天橋解決了這些問題，就自然有了好的形式。與其追求樣式的標新立異，不如把天橋的舒適性、合理性設計到最好。如果建設的人行天橋，是一種對公共資源的浪費，不論是從設計的角度，還是從城市的角度，都沒有積極的意義。

6 結 語

新民廣場過街天橋工程結合雨棚結構設計，采用下承式桁架結構形式，該結構通過計算分析后，各項指標均可滿足規范要求，結構安全可靠。在該主體結構上，可以直接搭設雨棚，避免了單獨搭設雨棚支架，不僅降低了結構建筑高度，而且通透性更好，使結構更好地與周圍環境相融合。該工程為老城區市政工程，地下結構及管線眾多，給設計、施工帶來很大難度，通過采用樁基加托梁的門架式基礎，很好地解決了避讓管線及地下結構的問題。通過在順橋向取消斜腹桿，增設加強豎桿，設置雙支座的結構形式，解決了在桁架中間設置梯道出入口且該出入口緊鄰懸臂跨的問題。并設計了一種簡易伸縮縫，既滿足結構的變形要求，又使天橋懸臂端與樓板達到了無縫連接的目的。通過增設全封閉防護棚及電加熱系統，解決了東北地區自動扶梯運行系統防凍的問題，使東北地區人行天橋設置自動扶梯成為可行。并且，提出了未來天橋的發展及研究方向，可供同類工程參考借鑒。