簡支下承式拱形鋼桁架人行天橋結構設計

王 煜

（重慶市設計院有限公司，重慶市 400015）

0 引言

憑借跨越能力強、施工快速便捷和景觀性好等優點，鋼結構橋已經成為國內城市人行天橋的主流形式。而隨著城市道路的不斷拓寬，以及地下軌道、管網和綜合管廊對橋梁布墩所造成的限制，城市人行天橋的跨度也在相應增大。重慶市渝州路道路拓寬改造工程2 號人行天橋就是一個較為典型的案例。該天橋受道路拓寬及地下軌道的影響，跨徑布置為1×56 m，主梁采用簡支下承式拱形鋼桁架結構，在安全性、功能性和景觀性之間實現了良好的平衡。

1 工程概況

重慶市渝州路道路拓寬改造工程位于重慶市渝中區和高新區，起點接大坪循環道，終點接石橋鋪立交，路線全長約3.5 km，項目總投資約4.64 億元，道路等級為城市主干道。工程將現狀雙向4 車道的渝州路拓寬至雙向8 車道，并在部分路口增設人行天橋，以保障行人過街安全及車流暢通。

2 號人行天橋位于重慶市高新區渝州路與渝州支路交叉口附近，上跨東西走向的渝州路。橋下道路拓寬后橫向布置為：13.50 m（人行道）+36.75 m（車行道，含中央分隔帶）+13.75 m人行道。城市軌道交通1 號線和5 號線的3 條隧道沿渝州路走向布置于車行道和人行道下方，2 號人行天橋基礎須與城市軌道交通結構保持3 m以上的水平凈距，這導致2號人行天橋在車行道和部分人行道范圍內無法布墩。此外，受兩側用地條件限制，2 號人行天橋結構物須設置在道路紅線范圍內。經現場踏勘和資料分析，該天橋需采用簡支梁橋形式，主梁跨徑超過50 m。

2 天橋結構選型

目前國內城市道路人行天橋主要采用鋼箱梁和鋼桁架梁形式。鋼箱梁由于外觀龐大笨重、用鋼量大、主梁橋面偏高導致梯道過長等缺點，很少用于40 m跨徑以上的簡支天橋。而下承式鋼桁架梁結構具有受力明確、跨越能力強[1]、用鋼量較少、自重較輕、景觀通透性好、梯道銜接與布置較為合理等優點，更適宜作為該天橋的結構形式。此外，為確保2 號人行天橋自振頻率不低于規范要求的3 Hz[2]，2 號人行天橋桁架最大高度將超過6 m，而橋址處周邊為景觀綠地和低矮房屋，因此，為提升橋梁與周圍環境的景觀融合度，2 號人行天橋采用下承式拱形桁架梁，通過上弦桿的弧形曲線變化來減小天橋的視覺體量感。2 號人行天橋景觀效果圖見圖1。

圖1 2 號人行天橋景觀效果圖

3 天橋總體布置

2 號人行天橋主梁全長56.6 m，計算跨徑1×56 m（見圖2）。橋墩設置于人行道外側，這樣在確保車輛行人通行順暢的同時，橋下空間通透寬敞，視覺效果好。主梁采用簡支下承式拱形鋼桁架結構，由2 片拱形桁架和橫聯桿件組成整體，斜腹桿采用三角形布置，最大桁高6.36 m；橫向布置為：寬0.4 m桁架+寬4.5 m人行道+寬0.4 m桁架=5.3 m。在桁架梁兩側設有梯道梁，梁與梁之間設置伸縮縫斷開。在每片桁架梁兩端設有1 根T 形獨柱墩作為支撐，橋墩基礎采用直徑1.5 m的獨樁，樁基與軌道結構水平凈距在3 m以上。

圖2 2 號人行天橋立面布置示意圖（單位:cm）

4 桁架桿件設計

2 號人行天橋桁架桿件采用全焊箱形截面，其橫斷面圖見圖3。2 號人行天橋的上弦桿為拱形，拱軸線跨度56 m，矢高6 m，矢跨比為6/56；上弦桿截面尺寸為400 mm×450 mm×28 mm；下弦桿截面尺寸為400 mm×550 mm×28 mm，并從跨中向兩端設置0.5%的縱坡，以滿足排水要求。

圖3 2 號人行天橋桁架橫斷面圖（單位:cm）

2 號人行天橋的斜腹桿截面尺寸為400 mm×300 mm×12 mm。上弦桿之間設置上橫梁，截面尺寸為200 mm×250 mm×12 mm；下弦桿之間縱向交替設置下橫梁和橫向連接桿，截面尺寸分別為250 mm×280 mm×16 mm 和150 mm×200 mm×12 mm。

5 桁架節點設計

2 號人行天橋桿件連接節點采用無節點板設計，節點處斜腹桿的上、下側鋼板與弦桿直接抵焊，斜腹桿和弦桿的側板采用整體切割成形，并在桿件之間采用圓弧過渡，以優化節點應力分布，而且外形簡潔圓潤。

2 號人行天橋桁架節點示意圖見圖4。

圖4 2 號人行天橋桁架節點示意圖（單位:cm）

此外，在弦桿內部設置加勁隔板，隔板位于腹桿鋼板與弦桿抵焊處的正下方，該措施可有效減小節點處應力集中[3]。

6 結構驗算

采用Midas/Civil 軟件對2 號人行天橋建模計算。2 號人行天橋計算模型圖見圖5。

圖5 2 號人行天橋計算模型圖

在承載能力極限狀態下，2 號人行天橋桁架桿件最大拉應力為93.1 MPa；最大壓應力為131.7 MPa，小于Q355 鋼材強度設計值270 MPa，滿足規范要求。

在正常使用極限狀態下，2 號人行天橋桁架結構由人群荷載引起的最大豎向撓度為19 mm，小于規范允許撓度值56 000/800=70 mm。由結構重力和人群荷載所產生的向下撓度為34 mm，小于規范容許值56 000/1 600=35 mm，可不設置預拱度。

根據規范要求，人行天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3 Hz。該天橋主梁1 階豎向自振頻率為3.08 Hz，滿足規范要求。

7 結語

（1）天橋作為城市道路景觀的一部分，在確保安全性和功能性的前提下，應注重橋梁自身景觀性與周圍環境的協調性，設計過程中需綜合考慮橋梁結構性能、橋下道路和其他建（構）筑物布置、周邊環境特點、經濟性等因素。

（2）相較于鋼箱梁，下承式拱形鋼桁架梁桿件受力簡單明確，可充分發揮材料的受力性能，梁高對梯道的布置影響小，用鋼量更少，經濟性更好，而且拱形結構景觀效果好，與周圍環境的相容協調性好，適用于跨度較大的城市人行天橋。

（3）桁架桿件節點采用無節點板設計，美觀性較好，但需采取措施來減小節點處的應力集中。本次設計采用節點桿件側板整體切割成形、桿件之間圓弧過渡、弦桿增設加勁隔板等措施，可有效減小節點處的應力集中。

（4）計算結果顯示，相較于桿件承載力，該天橋豎向自振頻率富余度更小，故跨度較大的拱形鋼桁架天橋設計應特別關注自振頻率是否滿足規范要求?？赏ㄟ^增加跨中梁高、增大弦桿截面等方式來提高自振頻率。