異形鋼箱梁人行天橋結(jié)構(gòu)計算分析研究

羅凱，曾武華，秦雙雙，黃文泉

（1.三明學院建筑工程學院，福建 三明 365004；2.福建東南設(shè)計集團市政設(shè)計院，福建 三明 365001）

0 引言

隨著我國人口的快速增長及城市日新月異的發(fā)展，城市交通愈發(fā)擁擠，人行天橋的修建成了緩解交通問題的辦法之一。人行天橋一般集中在繁華地帶，是尤為重要的交通樞紐，對天橋的荷載受力分析至關(guān)重要[1]。王犇[2]比較了螺旋梯道與鋼箱主梁不同連接形式和結(jié)構(gòu)上、下部不同約束條件和結(jié)構(gòu)主梁梁高不斷增大的前提下，結(jié)構(gòu)強度、剛度和基頻的變化。胡美[3]介紹了呂梁市離石區(qū)濱河北路、鳳山路人行天橋的設(shè)計方案及其結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過空間有限元計算程序?qū)Y(jié)構(gòu)受力進行了分析驗算。趙磊[4]以一座典型鋼結(jié)構(gòu)人行天橋為例，詳細介紹了鋼結(jié)構(gòu)人行天橋主梁、梯道梁、墩柱、樁基等各結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算。按照相應規(guī)范對荷載效應進行組合，驗算了上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的強度與穩(wěn)定性，同時驗算了樁基礎(chǔ)的承載力。杜建成[5]對某張弦梁體系的人行天橋項目，驗算了結(jié)構(gòu)的強度、剛度及穩(wěn)定性。然而，隨著城市景觀提升的需要，建設(shè)了一些異形結(jié)構(gòu)鋼箱梁人行天橋。由于異形結(jié)構(gòu)形式特殊性，對其開展結(jié)構(gòu)計算分析研究方面還比較欠缺。文章以某異形鋼箱梁人行天橋為例，該橋梁線型采用流線型布置，造型仿造中國傳統(tǒng)玉器“如意”，美觀飄逸。通過曲線主橋設(shè)計，構(gòu)造出如意握柄，通過環(huán)形上下匝道，構(gòu)造出如意的卷云柄端，整體呈如意造型，富有中國傳統(tǒng)文化底蘊，有著“吉祥如意”的寓意。在組合荷載作用下，運用Mi?das Civil有限元模型對人行天橋主橋的強度及穩(wěn)定性進行驗算，并對其安全性進行了分析。

1 工程概況

橋梁總長442m，其中主橋長255.5m，跨徑組合為2×55m+52.5m+55m+38m，橋面最大縱坡為5.5%，橫坡為0.5%。橋梁平面均處反“S”曲線段上，第一、二、四、五跨采用等截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，采用單箱三室鋼箱梁，標準段鋼箱梁頂寬9.5m，底面寬6m，梁高2.1m。第三跨采用等截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)形式，采用單箱雙室鋼箱梁，標準段鋼箱梁頂寬6m，底面寬4.25m，梁高2.1m。為適應平面曲線的變化，頂、底板縱肋采用倒T型截面，在鋼箱及懸臂段內(nèi)標準間距為350mm，箱梁頂板厚20mm、底板厚22mm、腹板厚16mm、T加勁肋板厚10mm。橫隔板標準間距2.0m，厚12mm，支座處橫隔板厚20mm。鋼箱梁材料采用Q345q-D鋼材，Φ25剪力釘。橋型布置圖如圖1所示，鋼箱梁橫斷面圖如圖2、圖3所示。

圖1 橋型布置圖

圖2 9.5m寬鋼箱梁

圖3 6.0m寬鋼箱梁

2 計算模型的建立

2.1 橋梁計算模型

利用Midas Civil軟件建立該橋上部結(jié)構(gòu)模型，共分為梁單元287個，節(jié)點303個。有限元模型圖如圖4所示。

圖4 有限元模型圖

2.2 荷載取值

該天橋主要荷載設(shè)計標準如下：①自重按自重系數(shù)-1.25計算；②人群荷載取值為5km/m；③天橋欄桿豎向荷載為1.2kN/m，天橋欄桿水平向外荷載為2.5kN/m；④橫橋向風荷載為2.46kN/m；⑤順橋向風荷載為0.61kN/m；⑥橋面鋪裝為40kN/m；⑦欄桿及裝飾為10kN/m；⑧均勻溫度作用按-25℃、+25℃取值。本文根據(jù)規(guī)范考慮了8種荷載效應組合進行計算分析，具體荷載效應組合情況見表1、表2。

荷載工況 表1

荷載組合列表 表2

3 結(jié)構(gòu)計算及分析

3.1 支座反力

人行天橋主梁共設(shè)12個支座。每個墩柱處2個支座，均位于腹板下方如圖5。

圖5 主梁支座布置圖

鋼箱梁在荷載準永久組合包絡(luò)作用下的12個支座計算結(jié)果見表3。

準永久組合下支座反力（kN） 表3

從表3中可以看出，最大支反力發(fā)生在第三跨的支座3-2處，支反力大小為5194.8kN，最小支反力發(fā)生在第一跨的支座1-2處，支反力大小為941.2kN。

3.2 鋼箱梁橋內(nèi)力分析

在荷載準永久組合包絡(luò)作用下，鋼箱梁內(nèi)力包絡(luò)結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 主梁準永久組合下軸力包絡(luò)圖（kN)

圖7 主梁準永久組合下豎向彎矩包絡(luò)圖（kN·m)

圖8 主梁準永久組合下豎向剪力包絡(luò)圖（kN)

從圖6～圖8可以看出在荷載準永久組合的作用下，鋼箱梁最大軸力23084.6kN，位于第三跨鋼箱梁分叉處；鋼箱梁最大豎向正彎矩47044.1kN·m，位于第三跨墩固定支座處；鋼箱梁最大豎向負彎矩33174.0kN·m，位于第一跨跨中處；鋼箱梁最大豎向剪力4843.6kN，位于第三跨墩固定支座處。

3.3 鋼箱梁應力驗算

在荷載準永久組合作用下，鋼箱梁內(nèi)力包絡(luò)結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 主梁準永久組合下頂緣正應力包絡(luò)圖（MPa）

圖10 主梁準永久組合下底緣正應力包絡(luò)圖（MPa）

從圖9、圖10可以看出在荷載標準永久組合的作用下，主梁最大頂緣正應力143.1MPa，主梁底緣最大正應力166.3MPa，均位于第三跨鋼箱梁分叉處。計算結(jié)果表明主梁體各應力情況均小于Q345鋼材的容許彎曲應力（根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）16mm～40mmQ345鋼材的彎曲容許應力為210MPa），滿足規(guī)范要求。

3.4 結(jié)構(gòu)剛度分析

在恒載+1/2人群荷載作用下，鋼箱梁橋豎向變形圖如圖11所示。

圖11 恒載+1/2人群荷載下主梁豎向變形圖（mm）

從圖11中可以看出，鋼箱梁預拱度計算恒載+1/2人群荷載豎向撓度為78.021mm＞l/1600=34.3mm。故鋼梁應設(shè)置預拱度。

在各荷載效應組合作用下，撓度結(jié)果見表4。

各荷載組合下主梁最大撓度（mm） 表4

從表4中可以看出，在基本組合2的作用下，第一跨跨中撓度值最大為90.577mm，小于L/600=91.667mm，滿足規(guī)范要求。在標準組合12的作用下，第二跨跨中撓度值最大為23.877mm，小于L/600=91.667mm，滿足規(guī)范要求。在基本組合2的作用下，第三跨跨中撓度值最大為78.484mm，小于L/600=87.5mm，滿足規(guī)范要求。在基本組合2的作用下，第四跨跨中撓度值最大為44.029mm，小于L/600=91.667mm，滿足規(guī)范要求。在基本組合4的作用下，第五跨跨中撓度值最大，為47.297mm，小于L/600=63.33mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

近幾年來，我國鋼橋的設(shè)計和施工技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展，文章通過一實例異形鋼箱梁人行天橋進行驗算和分析，其現(xiàn)有設(shè)計滿足規(guī)范要求，通過驗算得到如下結(jié)論。

①本文通過運用Midas Civil，在相應荷載組合下，對鋼箱梁人行天橋主梁結(jié)構(gòu)強度、剛度進行了驗算，驗算結(jié)果滿足規(guī)范要求，本鋼箱梁人行天橋安全可靠。

②傳統(tǒng)理論更多依賴以往的施工經(jīng)驗，通過對該鋼箱梁的計算，能夠為類似鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算提供依據(jù)。

③在Midas Civil的使用過程中，它能提供構(gòu)件每項驗算內(nèi)容的詳細計算書，給出具體的規(guī)范條文依據(jù)、詳細的計算過程及參數(shù)取值，并且擁有最新的公路、鐵路等橋梁規(guī)范，提高了驗算效率也滿足設(shè)計需求。