鋁合金天橋抗風設計研究

羅沐鑫

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510110)

0 引言

目前人行天橋的設計普遍采用鋼結構和混凝土結構，其中鋼結構的耐腐蝕性較差，后期維護成本較高；而混凝土結構體型笨重，施工工期長，施工時常采用支架施工，影響交通。針對這些問題，提出采用鋁合金材料來建造人行天橋，鋁合金表面有一層致密的氧化膜，耐腐蝕性強，并且質量較輕，便于吊裝，各桿件拼裝后可運輸至現場吊裝施工，大大縮短了施工工期，減少了施工對城市交通的不利影響。對于工期緊張、馬上要實施的項目工程來說，鋁合金天橋的優勢越來越明顯，工廠預制、現場吊裝、對地基要求不高，從設計到施工的時間大大縮短，使它在建筑工程中得到了越來越多的推廣應用，鋁合金橋、鋁合金穹頂等結構亦成為近年來結構設計的熱點。本文針對鋁合金天橋與鋼結構橋梁和混凝土橋梁的異同，提出了鋁合金天橋應該更加注重橋梁的抗風設計，對實際工程中鋁合金材料運用到橋梁上的抗風設計作詳細介紹，供廣大從業者參考。

1 風荷載計算的相關規定

我國沿海城市的基本風壓明顯大于內陸，而沿海城市對橋梁的耐腐蝕性提出更高的要求，鋁合金天橋的耐腐蝕特性能夠很好地滿足沿海城市耐腐蝕的要求，同時對抗風性能的要求更高。

根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ69-95）規定：主桁架構造的橫向風力（橫橋方向）為橫向風壓乘以迎風面積；天橋主桁架構造的縱向風力（順橋方向）按橫向風壓的40%乘以桁架的迎風面積計算[1]。設計時一般根據當地10m 平均的年最大風速來作為設計基本風速，這里涉及到一個橋梁荷載重現期取值的問題。根據《鋁合金人行天橋技術規程》T/CECS471-2017 規定，鋁合金橋梁結構的設計基準期應為50 年，設計使用年限為50 年[2]。而根據《城市橋梁設計規范》CJJ11-2011(2019)的強制性條文規定，橋梁結構的設計基準期應為100 年[3]。兩項規范要求不相同，由于鋁合金天橋對風荷載的響應較為明顯，風荷載重現期的取值建議按照100 年來計算。確定好基本風壓，計算出鋁合金天橋縱橋向和橫橋向的施加壓力后，可根據風的不同作用位置取最不利加載，根據跟恒荷載的組合分析，驗算支座會不會出現脫空現象。如果出現支座脫空現象，會出現落梁的風險，所以應考慮采取相應的抗風措施。

2 鋁合金天橋設計中常用抗風措施

現有的鋁合金天橋多梁式結構，表現為上部結構與下部結構僅通過支座相連接，在風荷載較大的情況下，由于上部結構為質量較輕的鋁合金材料，可能發生整體傾倒的危險。鋁合金天橋自重輕是其優勢所在，但是在重量較輕的情況下，風荷載作用的影響被放大，容易發生落梁事件。下面介紹幾種常見的抗風措施。

2.1 用板式橡膠支座，上下鋼板增加螺栓連接

鋁合金天橋由于自重較輕，往往支座的反力并不大，因此選用板式橡膠支座較為常見。板式橡膠支座對鋁合金天橋的抗風作用僅為根據上部的重力按摩擦力抵抗風荷載水平方向的分力，而沒有辦法抵抗支座脫空。針對這種情況，設計采用螺栓連接支座的上下鋼板，同時開縱向橋的長圓孔，保證橋梁可以縱向溫度伸縮。如圖1 所示，螺栓通過螺母擰緊，有了抵抗豎向反力的作用，且在側向抵抗橫向風荷載的作用，通過計算，選用合適的螺栓大小，可以很好地抵抗風荷載，防止橋梁移位及支座脫空帶來的影響。這種方式適用廣泛，制作簡單，且造價低廉，通過小小的改進便可以達到很好的抗風效果，值得借鑒推廣。

圖1 板式橡膠支座上下鋼板連接示意圖

2.2 選用盆式或球式橡膠支座

對于較大跨徑的鋁合金天橋，主橋往往采用盆式或球式橡膠支座，而盆式或球式橡膠支座本身具有一定的抗側移剛度，如圖2 所示，以球式橡膠支座為例簡要介紹：球式橡膠支座包含不銹鋼板、下支座板、球冠襯板、聚四氟乙烯滑板等結構組成，當采用固定支座時，承受的水平力為標準支座反力的10%，設計中可根據計算出的風荷載水平力來選用合適的球式橡膠支座，使抵抗水平力大于風荷載要求的水平力，即可滿足設計要求。這種方式簡單便捷，可快速選擇合適的支座，造價對比板式橡膠支座稍高，但是對于整個橋的造價占比較低，是大跨度鋁合金橋梁合適的選擇方向。

圖2 球式橡膠支座示意圖

2.3 增加抗風裝置

上面介紹的兩種抗風措施均在支座上面去考慮，除了在支座上面考慮，還可以考慮采用抗風裝置，可以直接采用或者作為安全儲備。下面介紹一種鋁合金天橋防風抗震消能裝置，如圖3 所示。鋁合金天橋防風抗震消能裝置，在正常情況下，連接板與第一固定板和第二固定板之間是被第一螺栓鎖緊固定不動的，因此能夠對上部結構起到支撐作用，限制上部結構和下部結構之間的橫向位移，從而可以抵抗橋梁受到的橫向風荷載，避免了上部結構出現整體傾倒的情況。

圖3 抗風裝置示意圖

考慮到鋁合金桁架在溫度的作用下會發生一定程度的伸縮，因此本裝置在第一固定板與上部結構連接的一端設置長圓孔，并配合螺栓把第一固定板固定連接在上部結構，能夠保證上部結構在縱橋方向上能有溫度變形的空間。

這種抗風裝置可以根據需要的抵抗力進行設計，板件厚度、是否加加勁肋和螺栓大小等均可按實際情況進行調整，能滿足各種跨度鋁合金橋梁的抗風需求。特別是在類似輕質材料的結構中，如果有抗風需求均可采用，且這種抗風裝置占用位置小，造價低，施工方便。

3 計算軟件的介紹

目前橋梁設計計算軟件大多采用Midas Civil 進行計算，而該軟件并無專門的鋁合金材料數據及驗算規范，若采用Midas Civil 進行計算需要注意自定義材料屬性，根據鋁合金材料的彈性模量、泊松比、剪切模量、容重及線膨脹系數進行定義，方能準確地算出桿件的內力及變形。而對于風荷載的施加只能采用施加節點力或均布荷載的方式添加，需要自己判斷最不利的位置進行施加。現介紹另一款軟件3D3S 空間結構設計軟件,是同濟大學獨立開發的CAD 軟件系列,3D3S 可以按照輸入的風壓及風荷載的高度水平，來自動計算最不利的加載方式，且軟件里面有完整的鋁合金材料及規范驗算，計算結果較為良好。由于鋁合金天橋的應用案例并不太多，建議設計人員采用兩款軟件相互校核計算結果。

另外值得注意的是當采用板式橡膠支座時，計算模型支座模擬應該輸入支座的側向剛度，因為實際工程中，板式橡膠支座多采用同樣的固定支座規格，不會特別采用滑動支座，因此水平力不會完全傳遞到某個支座承擔，而是由每個支座的剛度來進行分配，所以根據所選的支座計算出支座的側向剛度，輸入模型里，再進行風荷載的水平抗力分析，會得到較為符合實際情況的結果。而支座的剛度計算可參考《公路橋梁抗震設計細則》JTGTB02-01-2008 中6.3.7 關于板式橡膠支座剪切剛度的計算公式進行計算[4]。

4 結束語

針對鋁合金材料本身質量較輕，抵抗風荷載的能力較弱這一特點，本著避免鋁合金天橋在風荷載作用下發生上部結構的整體傾倒，介紹了設計中可以采用的三種抗風措施。第一種板式橡膠支座通過上下鋼板增加螺栓連接方式，適用廣泛，制作簡單，且造價低廉，通過小小的改進便可以達到很好的抗風效果；第二種利用盆式或球式橡膠支座本身抵抗橫向力較大的特點，適用于較大跨徑鋁合金天橋；第三種增加抗風裝置，可以根據需要的抵抗力進行設計，板件厚度、是否加加勁肋和螺栓大小等均可按實際情況進行調整，能滿足各種跨度鋁合金橋梁的抗風需求。最后介紹了兩種常用的結構計算軟件，分析了兩種軟件的特點及運用到鋁合金天橋計算時的注意要點，特別提出了支座水平剛度的輸入對風荷載水平抵抗力的計算有著關鍵的作用。