廣州市花蕾路新型鋼結構槽型梁人行天橋設計與分析

余宏

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州 510600）

1 概述

1.1 工程概況

廣州市芳村大道南快捷化改造工程花蕾路人行天橋，位于芳村大道與花蕾路交叉口。橋位處人流量、車流量較大，根據總體設計，人車分離，新建人行天橋。

為避免對既有花蕾路高架橋、現狀道路造成影響，同時滿足城市道路景觀要求，天橋于花蕾路和芳村大道十字路口4個角位及中央綠化帶處立墩布設。天橋平面呈”工”字形布置，南北向主橋為直線段順延道路里程線布置，東西向主橋為避讓既有高架橋墩，局部梁段設置為弧形繞行，見圖1。在十字路口4個角位均設置梯道，梯道沿道路邊線布置。

1.2 主要技術標準

（1）環境類別：I類。

（2）凈空要求：橋下車行道范圍不小于5.0m，人行道范圍不小于2.5 m，橋上人行凈空不小于2.5m。

（3）設計荷載：人群荷載：按《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69—95）。

（4）振頻率：上部結構豎向自振頻率不小于3 H z。

圖1 天橋橋位平面圖

（5）高程系統：廣州市城建高程系統。

（6）坐標系統：廣州市城建坐標系統。

（7）結構設計基準期：100 a。

2 天橋設計

2.1 總體設計

擬建天橋“工”字形主橋Z2～Z5主梁支座間距43.1 m，Z1～Z3主梁跨徑為 31.55 m+30.37 m，Z4～Z6主梁跨徑為23.57m+33.6m。

天橋“工”字形主橋均采用鋼結構槽型梁結構，即一種新型聯合梁結構。槽型梁兩側縱梁為箱型截面，中間通過橫梁相連，橫梁上設壓型鋼板混凝土組合板。槽型梁箱型截面縱梁兼作天橋的防護墻，梁高按二次圓曲線變高設計，整個天橋線條輕盈美觀，與周圍環境協調，見圖2～圖5。

圖2 鋼結構槽型梁標準截面圖

圖3 天橋Z2～Z5主梁立面布置圖（單位：mm）

圖4 天橋Z1～Z3主梁立面布置圖（單位：mm）

圖5 天橋Z4～Z6主梁立面布置圖（單位：mm）

2.2 鋼結構槽型梁主橋設計

本案天橋“工”字形主橋新型聯合梁截面構造見圖6、圖7，截面兩側設置2片縱向閉合箱型截面鋼梁，縱梁頂、底板厚25mm，腹板厚16mm。縱梁間設置箱型截面橫梁，橫梁板厚均為12 mm，橫梁間距為2 m，縱梁對應橫梁處設橫隔板，板厚12mm。橫梁上設壓型鋼板混凝土組合橋面板，壓型鋼板與橫梁通過焊縫連接，連接處設L50×6角鋼支撐，間距25 cm。縱梁箱內頂、底及腹板設置4道（南北向主橋6道）的通長縱向加勁肋，加勁肋10mm厚，高150mm。橋面設1%雙向坡。

圖6 天橋Z2～Z5主梁標準截面圖（單位：mm）

圖7 天橋Z1～Z3、Z4～Z6主梁標準截面圖（單位：mm）

天橋Z2～Z5主梁寬5.6m，橫向布置為：0.8m（主梁）+4m(人行道)+0.8m（主梁）=5.6 m，鋼箱縱梁梁高1.8～2.8 m。天橋Z1～Z3、Z4～Z6主梁寬4.6m，橫向布置為：0.8m（主梁）+3m(人行道)+0.8 m（主梁）=4.6m，鋼箱縱梁高1.2～1.8m。

天橋鋼結構槽型主橋采用工廠預制，現場設置臨時墩，分段吊裝，再焊接為整體。鋼結構均采用Q345C。

本文人行天橋鋼結構槽型主橋也是鋼—壓型鋼板混凝土組合梁結構的創新應用。鋼—壓型鋼板混凝土組合梁最早于2002年在北京市萬泉河路改造工程的人行天橋得到應用[4]。因其具有自重輕、剛度大、施工快捷，且能保證施工期間橋下道路正常通行等優點，在城市交通系統中得到廣泛應用[5]。

2.3 景觀考慮

本案人行天橋受限于既有花蕾路高架橋和現狀道路，天橋主橋平面呈弧形“工”字形布置，4個角位設置的梯道也是沿道路邊線弧形布置。天橋在滿足功能的同時，能較好的適應橋址地形，弧線優美、平面對稱，具有一定的景觀效果。

本案人行天橋因下穿既有花蕾路高架橋，梁高受限。采用這種新型的鋼結構槽型梁能較好的適應這種情況。槽型梁箱型截面縱梁兼作天橋的防護欄，梁高按二次圓曲線變高設計，整個天橋線條輕盈美觀，與周圍環境相得益彰。

正如著名橋梁大師鄧文中先生所說：“一座美觀的橋梁應該是功能的自然體現，具有簡潔的結構形式，新穎的造型，與環境和諧協調。”

3 天橋計算分析

3.1 組合梁計算理論

在混凝土板和鋼梁連續牢固結合的前提下，結合梁彎曲時，截面符合平面變形假定，材料服從虎克定律，假設二種材料的彈性模量之比為：

計算時，在相同位置上混凝土截面換算成1/n0倍的等價鋼梁換算截面，并據此計算各換算截面的特性。

同時，在分析鋼混組合梁時，應分階段考慮結構施工過程，將各階段組合梁的內力和變形分別組合疊加，以得到結構最終階段各控制截面的反應[4]。

3.2 有限元計算分析

（1）有限元模型

本文采用大型通用有限元分析軟件M ID A S C I V I L 2017建立天橋“工”字形主橋上部結構全橋空間有限元模型，分階段模擬天橋的施工過程，全橋空間有限元模型見圖8。

圖8 天橋“工”字形主橋MIDAS有限元模型

（2）荷載分析

天橋的鋼結構應進行各種荷載組合下的強度、穩定、剛度和施工應力驗算。荷載主要包括人群荷載、結構自重、均勻升降溫及支座沉降等。

按規范《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69—95）對上述荷載進行各種工況下的荷載組合。

（3）應力分析

各種荷載組合下最不利控制截面應力見圖9、圖10，荷載組合工況下，最大拉應力出現在Z4-Z5主梁中支點上緣為99.3 MPa，最大壓應力出現在Z2-Z5和Z5-Z6主梁交點下緣為-131.0 MPa，因此截面抗彎滿足要求。

單元截面橫向（y方向）和豎向（z方向）的最大剪應力分別為14.6MPa和12.9MPa，均小于容許應力120MPa，因此截面抗剪滿足要求。

圖9 最不利荷載組合下正應力圖（單位：MPa）

（4）穩定性分析

對箱型截面縱梁和橫梁，均滿足：h/b0≤6且L1/b0≤95×235/fy，故整體穩定性滿足要求。

對箱型截面縱梁，因80×235fy/＜h0/tw＜250，故縱梁均按要求設置橫向和縱向加勁肋。

對箱型截面橫梁，因h0/tw＜80×235fy，故橫梁局部穩定性滿足要求。

（5）變形分析

人群荷載作用下結構的變形見表1，人群荷載（活載）的最大豎向撓度均小于L/800，滿足規范容許值要求。

表1 活載作用下最大豎向撓度

（6）動力分析

計算得鋼桁梁一階豎彎自振頻率為f1=3.17H z＞3.0 H z，見圖 11。

圖11 主橋一階豎彎振型

4 結 論

本文介紹的花蕾路鋼結構槽型梁人行天橋，方案新穎、有較好的適用性、結構受力明確，兼具一定的景觀性。目前該天橋正在進行施工，天橋方案為類似的工程提供參考。