鋁合金人行天橋設(shè)計(jì)分析要點(diǎn)

程子健，杜曉燕

（蘇州市慧杰工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇蘇州 215011）

0 前言

鋁合金材料以其較高的彈性模量和良好的防腐性能在土木行業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1933年，美國(guó)第一次將鋁合金應(yīng)用在橋梁中。目前在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家鋁合金橋梁已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但是國(guó)內(nèi)的鋁合金橋梁研究還處于起步階段，2006年建成的杭州市慶春路鋁合金人行天橋是目前中國(guó)第一座全鋁合金橋梁。

鋁合金材料與鋼材有著較大的材料特性差異：首先是其材料的密度，鋁合金因密度小而自重小；其次是材料的彈性模量與鋼相比較小(雖然其極限強(qiáng)度和Q235相當(dāng))。因此，鋁合金橋在施工使用過(guò)程中存在諸多問(wèn)題。例如，杭州市慶春路人行天橋是國(guó)內(nèi)第一座鋁合金橋梁，存在問(wèn)題如下：在滿人荷載作用下?lián)隙冗^(guò)大，自振頻率和荷載作用下的頻率相比變化較大。本文主要針對(duì)上述方面進(jìn)行研究，分析出現(xiàn)這些現(xiàn)象的本質(zhì)原因，以及提出解決問(wèn)題的方案。本文依據(jù)杭州復(fù)興路人行天橋建立模型，利用ANSYS有限元軟件輔助分析計(jì)算，以期能為將來(lái)我國(guó)設(shè)計(jì)建設(shè)更多的鋁合金橋作參考和借鑒。

1 橋梁概況

杭州市復(fù)興路人行天橋?yàn)槿玟X合金梁，跨徑布置為26.64 m+19 m+15.4 m，橋梁平面布置見(jiàn)圖1。

橋面寬度4.8 m，其中通行橋面寬4.5 m（見(jiàn)圖2）。天橋橋跨采用中承式鋁制主桁結(jié)構(gòu)，橋面離主桁上弦桿1.265 m。主桁之間采用橫向桁架連接，橫向桁架上弦為橋面板的支承結(jié)構(gòu)，橋面與上弦之間采用焊接互相連接。橋面為雙層鋁合金板結(jié)構(gòu)，在上下板之間用鋁制豎向以及斜腹板聯(lián)系。圖3為橋面板結(jié)構(gòu)圖。

計(jì)算分析的范圍主要為上部結(jié)構(gòu),本次僅針對(duì)最大跨徑26.64 m簡(jiǎn)支梁進(jìn)行分析，其余同理。通過(guò)詳細(xì)的計(jì)算分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的撓度、自振頻率。

（1）撓度驗(yàn)算：人群荷載作用下最大撓度不大于跨度的1/400。

（2）振動(dòng)特性：計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振頻率，保證橋梁在1 kN/m2活載下豎向振動(dòng)頻率大于3.0 Hz。

2 計(jì)算模型

采用通用程序ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性極限強(qiáng)度的驗(yàn)算，計(jì)算采用beam188單元模擬各上、下弦桿及豎斜腹桿，上下弦及斜豎腹桿按全截面取值，橋面采用等厚橋面板。26.64 m簡(jiǎn)支梁計(jì)算采用的有限元模型如圖4所示。根據(jù)相關(guān)資料，極限承載力分析中采用了圖5所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

3 分析計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)自振頻率驗(yàn)算結(jié)果

自振頻率按是否考慮人群荷載分兩種情況：（1）恒載下的振動(dòng)頻率；

（2）恒載+1.0 kN/m2的人群荷載(橋面寬度按4.8 m計(jì)算)。

計(jì)算結(jié)果顯示，在恒載下豎向振動(dòng)自振頻率為3.91 Hz，在恒載+1.0 kN/m2的人群荷載下自振頻率為3.88 Hz。結(jié)果如表1所示，兩種情形的振型圖分別參見(jiàn)圖6、圖7。結(jié)果表明，兩種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率均超過(guò)了3.0 Hz，結(jié)構(gòu)的自振頻率能滿足規(guī)范要求。

3.2 結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算

圖1 杭州復(fù)興路人行天橋橋型平面布置圖

圖2 主橋橫斷面圖（單位：cm）

圖3 橋面板結(jié)構(gòu)圖

圖4 彈塑性極限強(qiáng)度的有限元模型

圖5 鋁材的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系

表1 自振頻率結(jié)果

在活載5 kN/m2作用下，跨中最大撓度為49.50 mm，桁架下弦的撓度為46.29 mm，為跨度的1/434和1/470，滿足要求?；钶d作用下的結(jié)構(gòu)變形見(jiàn)圖8所示。

4 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算分析：

（1）鋁合金人行天橋的震動(dòng)頻率變化幅度較鋼材略大，但是人行荷載作用下可滿足安全要求；

圖6 恒載作用下的結(jié)構(gòu)振型圖

圖7 恒載+1.0 kN/m2活載作用下的結(jié)構(gòu)振型圖

圖8 26.64 m簡(jiǎn)支梁滿載作用下的結(jié)構(gòu)變形圖(單位：mm)

（2）鋁合金材料的彈性模量小，撓度大，但是在跨徑不大的情況下，由于鋁合金材料自重小，撓度反而在安全范圍內(nèi)，可滿足使用要求。

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