某擬增加荷載人行天橋承載能力驗算實例分析

譚 科

（重慶市市政設計研究院有限公司，重慶 400020）

城市人行天橋的設計初衷只是為了分流城市交通，滿足行人過街需求，近年來由于城市建設的不斷發展，城市人行天橋也被賦予更多諸如城市景觀、信息平臺等更多更豐富的社會功能。人行天橋通過將行人和車輛在空間上完全分離，將地面道路讓給機動車，而行人通過天橋從上部跨越，與機動車之間互不干擾。[1]由于早期人行天橋設計時并未考慮豐富的社會功能，因此對諸類擬增加荷載的人行天橋進行承載能力驗算，保證人行天橋安全穩定運營是非常有必要的。

1 工程概況

橋梁全長52.6m，凈寬4.0m，橋梁總寬5.0m，橫向布置為：0.1m（欄桿）+4.0m（人行道）+0.1m（欄桿）+0.8m（裝飾景觀），天橋欄桿采用玻璃不銹鋼欄桿，天橋、梯道底部及兩側均采用鋁塑板外裝飾。上部結構為兩跨（28.57+20.7）m 連續鋼箱梁結構形式，梁高1.0m，箱梁除中橫隔板、縱向加勁肋采用Q235B 鋼外，其余均采用Q345B 鋼。天橋順橋向在跨中設置30cm 預拱，坡度約1%，并以拋物線方式分配。梯道由鋼箱梯道梁和鋼筋混凝土梯踏步構成，鋼筋混凝土梯道凈寬2.6m。下部結構橋墩采用矩形漸變式鋼筋混凝土樁式橋墩，成花瓶形狀，橋墩樁基直徑為1.2m，梯道墩樁基直徑為1.2m。設計抗震烈度為7 度構造設防，設計使用年限為50 年，橋面設計人群荷載為3.5kN/m2。

橋梁立面布置圖及跨中截面橫斷面圖如圖1、圖2所示。

圖1 人行天橋立面布置圖（單位：m）

圖2 跨中截面橫斷面圖（單位：mm）

2 擬增加荷載情況

本項目擬在人行天橋的兩側增加壁掛顯示屏，新增荷載主要由密封箱體、單元板、電源、鋼結構及其他輔材組成，顯示屏尺寸為：46.08m×0.96m，其中密封箱體每平方米重19kg，單元板每平方米重7.8kg，電源每平方米重1.8 kg，鋼結構每平方米重40 kg，其他輔材每平方米重0.5 kg，各部分重量詳細表如表1。

表1 重量詳細表

壁掛屏面積：46.08m×0.96m=44.24m2

主梁擬增加懸掛重量：兩側擬增加懸掛重量均為46.08m×0.96m×69.1kg/m2=3057kg，主梁總擬增加懸掛重量為2×3057kg=6114kg。

綜上所述：本次施工主梁單側擬增加荷載值為0.663 kN/m，主梁總擬增加荷載值為1.326kN/m。

3 驗算過程

本橋為2 跨連續鋼箱梁，橋跨布置為28.57m+20.7m連續鋼箱梁橋，橋梁上部結構采用了橋梁結構分析軟件Midas Civil2021 建立了橋梁的有限元模型，上部結構構造及邊界條件均根據竣工圖結合施工圖進行建模，模型分析劃分為105 個節點、104 個單元，其中3#、61#、103#節點為橋梁支承截面位置，設置有限元模型的邊界條件。橋梁有限元分析模型如圖3 所示。

圖3 主梁有限元分析模型

荷載效應組合按照設計規范《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）[2]第4.1.5 節要求進行效應組合。本次橋梁結構檢算分析荷載組合為：1.2（自重+二期+增加線荷載）+1.4 人群荷載+0.75×1.4 溫度荷載。

本次驗算考慮了材料在荷載作用下處于小變形和線彈性階段及各種荷載作用下復核線性疊加原理的假定。[3]根據橋梁結構受力特點，主要對該橋橋結構強度、剛度及基頻進行驗算分析。

3.1 內力計算

橋梁在設計荷載及擬增加荷載（1.326kN/m）共同作用下，空間直線梁模型的內力計算結果為標準組合作用下主梁跨中最大彎矩為3777.9kN·m，墩頂最小為-4327.8 kN·m；主梁跨中最大剪力為921.9kN，最小為-766.7 kN。

3.2 結構強度驗算

在標準組合下，空間直線梁模型的應力計算結果為主梁跨中截面下緣最大拉應力為90.4Mpa，上緣最大壓應力為-61.6Mpa，最大剪應力為1.13 Mpa；主梁支點截面上緣最大拉應力為70.6Mpa，下緣最大壓應力為-103.5Mpa，最大剪應力為4.9 Mpa。

截面換算應力計算：

根據《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）[4]鋼梁的折算應力計算式為。

通過對該橋最大跨（28.57m）支點截面(ZD)以及跨中截面（KZ）截面折算應力進行驗算，驗算結果匯總如表2。

表2 控制截面折算應力驗算（單位：Mpa）

由以上計算可知，橋梁在設計荷載及擬增加荷載（1.326kN/m）共同作用下最大跨（28.57m）截面最大壓應力為-103.5MPa，最大拉應力為90.4MPa，截面最大剪應力為4.9MPa；支點截面折算應力最大值為103.9MPa，跨中截面折算應力最大值為90.5MPa。Q345b 鋼的容許彎曲應力為310MPa，容許剪應力為180MPa，容許折算應力為341MPa，故主梁強度滿足規范要求。

3.3 結構剛度驗算

橋梁在擬增加荷載（1.326kN/m）與人群荷載作用下，主梁計算最大撓度為19.23mm。

根據《城市人行天橋與人行地通道技術規范》（CJJ 69-1995）[5]第2.5.2 條“天橋上部結構，由人群荷載計算產生的最大豎向撓度，不應超過下列允許值：梁板式主梁跨中為L/600；梁板式主梁懸臂端為L1/300；桁架、拱為L/800”。由此可知，橋梁在擬增加荷載（1.326kN/m）與人群荷載作用下主梁計算最大撓度為19.23mm，小于規范容許撓度值L/600=28570/600=47.62mm。

3.4 結構基頻驗算

橋梁在設計荷載及擬增加荷載（1.326kN/m）共同作用下，上部結構計算基頻為3.576Hz，滿足《城市人行天橋與人行地通道技術規范》（CJJ 69-1995）[6]第2.5.2條“為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3Hz”的要求。

4 驗算結果

通過對該人行天橋主梁的計算得出如下結論：該橋上部結構在設計荷載及擬增加荷載（1.326kN/m）共同作用下，橋梁結構強度、剛度及基頻驗算均滿足規范要求。

5 結論與分析

1.通過結構驗算，金開大道天來酒店人行天橋上部結構在設計荷載及擬增加荷載（1.326kN/m）共同作用下，橋梁結構強度、剛度及基頻驗算均滿足規范要求。

2.安裝吊車在吊掛顯示屏過程中要避免撞擊天橋，做好橋梁防護工作。

3.顯示屏鋼結構與天橋箱體焊接過程中要嚴格按照相關要求施工，不能損壞梁體結構，并保證顯示屏焊接牢固。

4.顯示屏鋼結構與天橋箱體焊接完成后，對焊接部位做好防腐措施。

5.養護單位應嚴格按照《城市橋梁養護技術標準》（CJJ 99-2017）要求，加強橋梁日常管養。

6 結語

本文通過采用有限元分析軟件對一個擬增加荷載的實際橋梁承載能力進行驗算，詳細地敘述了鋼結構人行天橋擬增加荷載后的驗算步驟，通過實際的驗算評判橋梁驗算是否滿足規范要求，同時也對驗算結果進行了一定程度的分析并提出針對性建議。