珠海長隆海洋科學館1#天橋主橋結構設計

張傳寬 （汕頭市建筑設計院，廣東 汕頭 515031）

1 工程概況

長隆1#天橋坐落于廣東珠海橫琴島，連接著長隆海洋王國和海洋科學館。主橋凈跨為44.90m，橋底凈空6.9m，橋頂高度為12.64m。主橋兩側為混凝土結構，頂蓋為鋼管框架頂蓋。最大跨度為9.5m。1#橋三維示意圖如圖1所示。

圖1 1#橋鳥瞰圖

2 結構選型和布置

主橋兩側橋墩為鋼筋混凝土弧形墻，主橋主跨為鋼管空間桁架結構。縱向鋼管尺寸為φ203×10，斜向鋼管尺寸為φ127×6和φ127×12，桁架下弦桿為焊接H型鋼，截面為BH500×250×10×18。鋼管和H型鋼材料均為Q345B鋼材，混凝土為C35混凝土。主橋側面和剖面示意如圖2所示。

圖2 1#橋側立面示意

抗震設防烈度為7度（0.10g），設計地震分組為第二組，建筑場地類比為II類，基本風壓分別為：計算桁架變形，選取0.85kN/㎡；計算桁架強度，選取1.00kN/㎡。安全等級為一級，設計使用年限為50年，抗震設防分類為重點設防類。結構最高溫度為35℃，最低溫度為8℃。

圖3 1#橋正剖面示意

圖4 1#橋抗風體系示意利用電梯井構成抗風桁架

3 荷載取值與計算

本工程樓面豎向荷載均按照各專業條件取值，其中橋面恒載為2kN/㎡；活載在計算樓板時取值為5kN/㎡，計算梁墻基礎時為3.5kN/㎡。鋼橋面布置膜結構，恒載取值為0.5kN/㎡，檢修活載取值為0.5kN/㎡。檢修活載不與風荷載組合。豎向荷載依據比較明確，本文不一一列出計算過程。

3.1.1 風荷載取值

地面粗糙度：A類；

風振系數：βz取值1.6（鋼結構）；

基本風壓：1.00kN/㎡（100年基準期）

圖5 1#橋擋風示意圖

3.1.2 體型系數取值

①順橋方向為敞開的結構，且不存在遮擋，故主橋不考慮順橋方向風荷載。

②垂直橋面方向風荷載取值：

部分橋面覆蓋拉膜，導致該部分橋面為主要擋風構件。拉膜布置圖如圖6。

圖6 1#橋體型系數規范取值

μ取1.1。本工程為鋼結構，對風荷載敏感，βz取1.6。

由于下部分為無遮擋，根據《建筑荷載規范》表8.3.1第27項次“四面開敞”來選擇體型及體型系數。本工程為半圓結構，傾角大于30°，μ1=+1.6，μ2=+0.4。受力簡圖如圖6。

采用垂直于建筑物上的風荷載標準值計算公式：

因此，F1=1.6×1.1×1.6×1=2.8kN/㎡，F2=1.6×1.1×0.4×1=0.70kN/㎡

3.1.3 無覆蓋拉膜，風荷載取值計算

①無拉膜的位置示意圖如圖7。

圖7 1#橋無拉膜位置示意

經過計算，桁架桿件和節點水平投影面積和桁架水平投影面積之比φ=0.143。根據《建筑結構荷載規范》表8.3.1桁架體形系數計算如下：

H/d=5.5/0.127=43.3>25，

μ×w×d2=1.1×1.0×0.1272

=0.0177＞0.015，△為0，體形系數取值為0.6。

則總體無拉膜位置的結構部分體型系數為：0.6×0.143=0.0858。

因此，正面風壓為F3=1.6×1.1×0.0858×1=0.151kN/㎡

4 計算結果

4.1 主橋應力比圖、變形圖

4.1.1 主橋包絡應力比圖

圖8 按“強度應力比”顯示構件顏色

圖9 按“繞2軸應力比”顯示構件顏色

上述計算顯示，強度驗算和繞強軸穩定驗算，桿件應力比均小于0.85，滿足設計要求。

繞弱軸穩定驗算，局部桿件應力比大于1.0。究其原因是因為軟件識別的計算長度不對。現根據規范依據，補充該部分桿件的面外計算長度取值。

4.1.2 關于部分壓桿計算長度取值補充計算

部分壓桿，軟件自動識別的計算長度為6m。按照6m計算下，局部壓桿應力比超限。超限的桿件均為X型節點，與壓桿相連的桿件在同一工況下，為拉桿。此等情況，壓桿的計算長度可根據《鋼結構設計標準》7.4.2條做出折減，具體計算如下：

節點示意如圖10。截面均為127×12，Q345B鋼材。

圖10 X型節點

壓力最大工況下，壓桿內力為265kN，拉 桿 內 力 為 106kN。L取6100mm。E取206×10N/mm。圓管127×12的 Iy取值為：724.5×10mm，則有：

E·Iy=206×10×724.5×10N·mm=1.49×10N·mm

3·N·l2× (N/N-1)/(4π2)=3×106×10×61002×（265/106-1）/(4π2)=4.55×10N·mm＜1.49×10N·mm

故取l=0.5l=3050mm。

將未定義桿件面外長度的桿件，重新定義面外計算長度，為3050mm。再用3d3s驗算復核，均滿足受力要求。平面外應力比如下：

圖11 按“繞3軸應力比”顯示構件顏色

上述計算均考慮了重力荷載、風荷載、地震作用以及溫度作用，應力比均小于0.85，滿足安全要求。

圖12 Uxyz(mm)（重力荷載標準值下變形）

圖13 Uxyz(mm)（基準期為50年風荷載變形）

4.1.3 主橋變形圖

主橋純鋼結構跨度為25404mm，按照規范要求，豎向作用標準值下，變形最大為 1/400，即：fmax=25404/400=63.51mm>16.2。上述變形滿足規范要求。在純風荷載作用下，變形允許值最大 為 1/1000，即 fmax=25404/1000=25.404mm>13.5，上述變形滿足規范要求。

4.1.4 主橋舒適度驗算

根據《城市人性天橋與人行地道技術規范》要求，為避免共振，減少行人不安全感，規范限制天橋上部結構豎向自振頻率。本工程用3D3S和sap2000來計算主橋第一豎向自振頻率，詳細如下：

圖14計算結果顯示頻率為1/0.221=4.52Hz，大于《城市人性天橋與人行地道技術規范》2.5.4所要求的3Hz要求。

圖14 3d3s計算主橋第一豎向振動

圖15計算結果顯示頻率為1/0.162=6.17Hz，大于《城市人性天橋與人行地道技術規范》2.5.4所要求的3Hz要求。豎向振動頻率滿足要求。

圖15 sap2000計算下主橋第一豎向振動

5 各類節點、預埋件計算

5.1 主橋節點、預埋件計算

5.1.1 驗算網架X節點

挑選壓力最大的X節點，來驗算。根據《鋼結構設計標準》13.3.2相關公式，驗算過程如下：

圖16 X節點計算依據1

壓桿最大壓力的X型節點，壓桿拉桿均為φ127×12，其中拉桿連續。夾角為90°。拉桿應力比為0.3。代入上述公式，得X型節點能承受最大的壓力N=1112.41kN。承載力遠大于本工程桿件產生的最大壓力。

本工程最大的壓力不到300kN，故本工程相關的X節點不用增加隔板或者套管來加強。

5.1.2 驗算GL3連接節點

GL3連接節點示意圖如圖17。

圖17 GL3節點

本節點僅考慮腹板抗剪。取剪力設計值V=50kN驗算螺栓承載力。根據《鋼結構設計標準》，詳細如下：

K取值1.0，μ取0.4，單剪故n取3，P取155kN，則受剪承載力如下：

Nv=0.9×1×0.4×3×155=167.4kN>50kN，滿足要求。

6 結語

本文通過介紹本工程結構布置，對空間鋼桁架橋的結構布置、荷載取值以及結構分析和節點設計作出簡單論述，希望能為日后的設計提供參考。