不同荷載工況鋼箱梁天橋靜力性能及穩定性分析

■王志福

(山西省交通新技術發展有限公司， 太原 030012)

近年來， 隨著我國城市人行天橋的大規模發展， 城市車流與人流相互擁堵的問題得到有效解決[1]。 然而，人行天橋作為一種特殊的橋梁結構形式，在滿足人們通行的同時，還必須保障其安全性。鋼箱梁結構因具有承載能力強，施工周期短、線型優美以及成本低等優點，已成為城市人行天橋的代表性橋型之一[2-3]。

目前， 國內外關于鋼結構人行天橋展開了大量研究[4]，如伍臣宇[5]采用有限元軟件MIDAS 對天橋在不同荷載組合作用下進行了模擬，分析了天橋結構變形及受力特征，并探討了天橋自振特性，為該類天橋設計提供了依據。 袁濤等[6]基于瞬態動力學分析評估了附加調諧質量阻尼器的振動控制效果， 最后基于行人激勵下的加速度實測，驗證了結構良好的行人舒適度性能。 杜啟文[7]以山東省青島市某兩跨連續鋼結構人行天橋為例，采用有限元軟件對其建模并進行分析，得到結構自振頻率和動力響應結果，并按該評價指標對人行天橋進行了舒適度評價。 曹遠[8]以昆山市汽車南站鋼結構人行天橋為例，采用有限元軟件分別建立梁單元與板單元模型，通過對其結構強度、剛度及動力特性等進行對比分析，為相關設計計算提供一些參考。

為了進一步研究不同組合荷載作用下單跨鋼箱梁天橋的靜力性能和穩定安全性，本文以某鋼箱梁人行天橋為工程實例，運用有限元軟件模擬不同荷載工況的鋼箱梁天橋結構分析模型，針對主梁豎向變形、最大應力、最大剪應力及穩定系數進行了對比分析，其結論可為類似鋼結構人行天橋的研究和設計提供一定參考。

1 工程概括

以某單跨人行天橋為研究對象， 該橋全長28.5 m，主梁結構為單箱等截面鋼箱梁，采用低合金Q345B 鋼板焊接而成，梁高1.2 m，頂板厚度為12 mm，腹板厚度14 mm，底板厚度16 mm，梁頂板增設5道縱向加勁肋，厚度為12 mm，梁低板增設3 道縱向加勁肋，厚度為14 mm。 橋面全寬3.9 m，橫向布置：0.2 m 護欄+3.5 m 人行道+0.2 m 護欄， 橋面鋪裝：2.5 cm 花崗石+2 cm 環氧砂漿。下部結構橋墩墩與主梁采用板式橡膠支座連接，墩身為C30 混凝土結構，高度為7 m，墩身底部設有1.5 m 承重臺，樁基礎采用直徑為70 cm 的鉆孔灌注樁。 橋梁縱坡為2%，安全等級為Ⅰ級，使用年限為100 年。鋼箱梁橫截面設計尺寸如圖1 所示。

圖1 人行天橋主梁橫截面示意圖

2 建立模型

運用有限元軟件MIDAS/CIVIL 建立鋼箱梁天橋結構分析模型(圖2)，鋼箱梁采用板單元模擬，橋墩和縱向加勁肋采用梁單元模擬，橋墩與支座的連接方式采用彈性連接， 模型中單元數共計172 個、節點數共計196 個。

圖2 鋼箱梁天橋有限元模型

為方便分析計算， 假定縱向加勁肋和橫向肋板為截面形式，橋面鋪裝、護欄等二期荷載設置為壓力荷載進行施加，且不考慮樁土間的相互作用。荷載作用主要考慮：(1) 恒載： 鋼材結構自重約78.5 kN/m2，二期恒載：護欄約3.7 kN/m2+橋面鋪裝約5.3 kN/m2；(2)活載：根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ69-1995)規范要求，天橋人群荷載取5 kN/m2；(3)溫度荷載：根據當地氣候環境，整體升溫按28℃考慮，整體降溫按-12℃考慮；(4)風荷載：按照《公路橋涵設計通用規范》(JDG D60-2015) 規范要求，橫向風荷載取1 kN/m2。 計算模型中材料特性如表1 所示。

表1 Q345B 鋼及材料特征

3 不同荷載工況靜力性能及穩定性分析

本文主要研究不同荷載作用對天橋結構的承載力和穩定性的影響， 在建立荷載工況時可不引入分項系數而直接對結構進行荷載組合， 不同組合荷載工況如表2 所示。

表2 不同組合荷載工況

3.1 位移對比分析

針對不同荷載工況天橋結構主梁L/2、L/4、3L/4及墩頂截面的豎向位移值進行對比分析，計算結果如圖3 所示。

圖3 不同荷載工況-位移變化曲線

根據圖3 可知， 不同荷載工況作用的天橋主梁豎向位移值均由梁兩端向跨中截面處不斷增大，主梁兩端墩頂處豎向位移值最小， 跨中截面處豎向位移值最大， 最大值分別為-31.63 mm、-55.16 mm、-56.22 mm 及-57.68 mm，其中天橋在結構自重、二期恒載及人群活載的作用下豎向變形相對較大，而溫度荷載和風荷載對天橋結構豎向變形的影響相對較小，但不同荷載工況的天橋結構豎向位移值均滿足 《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ69-1995)規范要求，由此說明該鋼箱梁天橋結構設計滿足變形要求。

3.2 應力對比分析

針對不同荷載工況天橋結構主梁L/2、L/4、3L/4及墩頂截面的應力值進行對比分析，計算結果如圖4 所示。

圖4 不同荷載工況-應力值變化曲線

根據圖4 可知， 不同荷載工況作用的天橋主梁關鍵截面應力值變化趨勢基本一致， 靠近主梁兩端墩頂處應力值較小，靠近跨中截面處應力值較大。 荷載工況一至工況四的最大應力值分別為-41.32 MPa、-71.92 MPa、-73.54 MPa 及-76.03 MPa， 其中荷載工況二相對于工況一主梁最大應力值增長了約30.6 MPa，而荷載工況三、四的主梁最大應力值與荷載工況二的最大應力值相差不大，說明天橋在結構自重、 二期恒載及人群活載作用對主梁應力影響較大， 而溫度荷載和風荷載對主梁應力的影響相對較小。 根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ69-1995)規范要求，鋼箱梁最大應力值應小于295 MPa，而上述4種荷載工況的最大應力值為-76.03 MPa，遠遠小于規范要求，由此表明該鋼箱梁天橋最大應力滿足設計要求。

3.3 剪力對比分析

針對不同荷載工況天橋結構主梁L/2、L/4、3L/4及墩頂截面的剪力值進行對比分析，計算結果如圖5 所示。

圖5 不同荷載工況-剪力值變化曲線

根據圖5 可知，不同荷載工況作用的天橋主梁各關鍵截面剪力值變化趨勢基本一致，其中跨中截面的剪力值變化趨勢相對較小，靠近主梁兩端墩頂處剪力值較大， 靠近L/4 和3L/4 截面處的剪力值較小。 荷載工況一至工況四的最大剪力值分別為30.13 MPa、41.21 MPa、42.97 MPa 及44.31 MPa，其中荷載工況二相對于工況一主梁最大應力值增長了約11.08 MPa，而荷載工況三、四的主梁最大應力值與荷載工況二的最大應力值相差不大，說明天橋在結構自重、二期恒載及人群活載作用對主梁剪應力力影響較大。 根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》(CJJ69-1995)規范要求，鋼箱梁最大剪力值不超過170 MPa，而上述4 種荷載工況的最大剪力值均遠遠小于規范要求，由此表明該鋼箱梁天橋最大剪應力滿足設計要求。

4 穩定性對比分析

為研究不同荷載工況的鋼箱梁天橋穩定安全性是否滿足設計要求， 針對4 種荷載工況鋼箱梁天橋結構穩定安全系數進行對比分析， 計算結果如圖6 所示。

圖6 不同荷載工況-穩定系數變化曲線

根據圖6 可知，不同荷載工況的鋼箱梁天橋穩定安全系數存在一定差異，其穩定安全系數大小依次為：工況一＞工況二＞工況三＞工況四，其中荷載工況二的穩定系數相對于工況一降低了約0.3， 下降幅度相對較大，而工況三、四相對于工況二下降幅度分別為0.2 和0.1，降幅相對較小，說明人群活載對于穩定系數的影響較為明顯，而溫度荷載和風荷載對于穩定系數的影響較小。 4 種荷載工況下鋼箱梁天橋的穩定安全系數均大于10，表明該鋼箱梁天橋的穩定性滿足安全設計要求。

5 結論

為判斷某單跨鋼箱梁天橋結構受力的合理性及安全性，針對天橋運營階段不同荷載工況對主梁變形、 受力及穩定性的影響規律進行對比分析，得到以下主要結論：

(1)不同荷載工況的鋼箱梁天橋最大豎向位移值發生在主梁跨中截面，最大值為-57.68 mm，滿足天橋結構變形設計要求。

(2)不同荷載工況的鋼箱梁天橋最大應力值發生在主梁跨中截面，最大值為76.03 MPa，遠遠小于規范要求的295 MPa。

(3)不同荷載工況的鋼箱梁天橋最大剪力值發生在1 號墩墩頂截面，最大剪力值為44.31 MPa，遠遠小于規范要求的170 MPa。

(4)不同荷載工況下鋼箱梁天橋的穩定系數均大于10，均滿足天橋結構安全設計要求，綜上所述表明該單跨鋼箱梁天橋在運營階段的結構受力合理性較好，安全穩定性能較高。