敦煌基地小轉(zhuǎn)盤過街人行天橋工程方案設(shè)計(jì)研究

葉 棟 魏 濤

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司青海分公司，甘肅 敦煌 736202)

敦煌基地小轉(zhuǎn)盤過街人行天橋工程方案設(shè)計(jì)研究

葉 棟 魏 濤

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司青海分公司，甘肅 敦煌 736202)

從跨度、橋?qū)?、梯道寬度及長度、結(jié)構(gòu)外形、施工難度、投資估算等方面出發(fā)，對(duì)過街人行天橋工程項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)中提出的三套設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，確定方案一、二為推薦方案，通過建立主梁結(jié)構(gòu)仿真模型，從承載能力、變形能力及結(jié)構(gòu)剛度三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，最終得到方案一的承載能力、變形能力及結(jié)構(gòu)剛度均優(yōu)于方案二，繼而確定方案一為項(xiàng)目的推薦方案。

跨度，橋?qū)?，方?/p>

0 引言

近幾年，敦煌基地基礎(chǔ)設(shè)施改造力度相對(duì)較大，各小區(qū)總圖改造、基地道路改造也日趨完善，整個(gè)基地道路交通狀況得到很大改善。為完善環(huán)林帶六公里健身、徒步道路景觀項(xiàng)目，亦為了解決小轉(zhuǎn)盤人流量較大的問題，青海油田公司計(jì)劃在昆侖路與中原路交叉路口建設(shè)人行天橋，確保該道路人流交通的安全和豐富城市景觀。

該橋的建設(shè)可有效緩解昆侖路車流量較大造成人流通行緩慢的問題，解決環(huán)林帶工程小轉(zhuǎn)盤十字路口人行跨越問題，與此同時(shí)，人行天橋亦可成為連接新區(qū)和老區(qū)的紐帶，成為新、老區(qū)之間的地標(biāo)性建筑。

本文將以該人行天橋?yàn)楸尘?，?jiān)持“統(tǒng)一規(guī)劃、合理布設(shè)、科學(xué)適用、方便群眾”的原則，對(duì)人行天橋的設(shè)計(jì)方案作以分析研究，該地區(qū)地基條件良好，地基對(duì)結(jié)構(gòu)形式的影響較小，故本文以橋梁上部結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，主要針對(duì)天橋的主梁結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、受力狀態(tài)、施工難度、投資造價(jià)、城市景觀等方面作以對(duì)比分析研究，最終得到結(jié)構(gòu)受力合理、材料最優(yōu)、造價(jià)較低的天橋結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本方案設(shè)計(jì)內(nèi)容為在青海油田敦煌基地小轉(zhuǎn)盤路口西側(cè)新建一座鋼架結(jié)構(gòu)橋梁，設(shè)計(jì)方案3套，通過方案比選，確定最終的推薦方案。主梁采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋梁總跨度為43.6 m，分別跨越雙向行車道(2×9.0 m)，4條綠化帶(4×2.0 m)，2條非機(jī)動(dòng)車道(2×4.5 m)，以及兩側(cè)人行道(2×4.3 m)，橋梁凈高5.0 m，橋面寬度3.6 m，橋梁兩側(cè)分別設(shè)置雙面人行梯道，梯道寬度3.0 m。

1.2 設(shè)計(jì)基本參數(shù)[1-4]

1)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí)；2)耐久使用年限：30年(主體結(jié)構(gòu))；3)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)：丙級(jí)；4)地基處理：暫按天然地基考慮；5)標(biāo)準(zhǔn)凍深：1.40 m；6)結(jié)構(gòu)體系：鋼桁架結(jié)構(gòu)和鋼板梁橋結(jié)構(gòu)；7)抗震設(shè)防烈度：7度、第三組、地震加速度0.1g；8)基本風(fēng)壓：0.50 kN/m2；9)基本雪壓：0.15 kN/m2。

1.3 人行天橋布置原則

人行天橋布置于社保中心大門和CPE青海分公司大門之間直線段區(qū)域范圍內(nèi)，直線區(qū)域長40 m；方便行人上下天橋；天橋南側(cè)梯道需避讓社保中心大門，北側(cè)梯道需與“環(huán)林帶”線路人行道緊密連接；橋梁布置需靠近中原路，服務(wù)于“環(huán)林帶”線路中行人穿越昆侖路，在靠近中原路的同時(shí)兼顧整體布局的美觀性。

1.4 方案概況對(duì)比分析

對(duì)設(shè)計(jì)中所提出的3套方案：方案一(三跨連續(xù)平頂鋼桁架橋)、方案二(三跨連續(xù)波形鋼桁架橋)、方案三(鋼板梁橋)，從跨度、橋?qū)?、梯道寬度及長度、結(jié)構(gòu)外形、施工難度、投資估算等方面作以簡單對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 方案對(duì)比結(jié)果

通過跨度、橋?qū)?、梯道寬度及長度、結(jié)構(gòu)外形、施工難度、投資估算等方面作以簡單對(duì)比分析可得：

1)方案三結(jié)構(gòu)簡單，施工便利，造價(jià)最低亦能滿足功能要求，但作為城市橋梁，又處在十字交叉路口，結(jié)合周圍環(huán)境特點(diǎn)，從城市景觀角度考慮，該方案明顯劣勢(shì)于方案一、二；

2)方案一、二整體布置情況接近，區(qū)別在于上部結(jié)構(gòu)桁架部分的頂部一個(gè)為平頂，一個(gè)為波形頂。從外觀角度講，方案二的波形頂明顯優(yōu)于方案一，但波形頂?shù)氖褂?，使得鋼桁架?jié)點(diǎn)連接變得復(fù)雜，亦影響到主桁架部分桿件的使用，方案一采用H型鋼桿件，節(jié)點(diǎn)連接主要采用螺栓連接，而方案二則為了方便施工，主桁架桿件改用無縫鋼管，節(jié)點(diǎn)采用焊接連接，其復(fù)雜于螺栓連接；

3)方案一主材選用H型鋼，方案二主材選用無縫鋼管，節(jié)點(diǎn)連接亦有差別，考慮到施工難度及造價(jià)的因素，方案一優(yōu)于方案二。

綜上，推薦方案將從方案一、二中產(chǎn)生，方案一、二的方案比選有待進(jìn)一步的研究。

2 主梁結(jié)構(gòu)仿真模型對(duì)比分析

本節(jié)針對(duì)1.4節(jié)的方案概況對(duì)比分析所提出的問題，對(duì)方案一、二的上部結(jié)構(gòu)主梁結(jié)構(gòu)部分做進(jìn)一步分析研究。通過Midas/civil有限元軟件建立仿真模型，進(jìn)行承載能力、變形能力、結(jié)構(gòu)剛度的對(duì)比分析。

2.1 建模要點(diǎn)

在Midas/civil有限元軟件中，方案一、二中均為空間桁架結(jié)構(gòu)，有限元軟件建模中，下平縱聯(lián)主梁采用梁單元，其他桿件單元均采用桁架單元。建模中僅建立上部桁架部分，不考慮兩側(cè)臺(tái)階對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用，由于地基條件良好，基礎(chǔ)狀態(tài)穩(wěn)定，故建模中亦不考慮下部結(jié)構(gòu)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用影響。建立的有限元模型具體見圖1，圖2。

2.2 有限元模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

1)荷載計(jì)算。

人行天橋構(gòu)件按照梁單元及桁架單元進(jìn)行計(jì)算分析,根據(jù)CJJ 69—1995城市人行天橋與地道技術(shù)規(guī)范[5]的相關(guān)條款，主要考慮以下荷載:a.鋼結(jié)構(gòu)的自重：鋼材容重取78.5 kN/m3，結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算；b.橋面鋪裝采用5 cm～8 cm鋼筋混凝土及1 cm防滑地磚,容重取26 kN/m3；c.兩側(cè)人行欄桿q=2.0 kN/m；d.活載:人群荷載5.0 kN/m2；e.風(fēng)荷載：0.5 kN/m2；f.溫度荷載:體系整體均勻升、降溫按20 ℃計(jì)算。

2)內(nèi)力對(duì)比分析。

對(duì)結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行模擬加載，在不同的荷載工況作用下，提取結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 內(nèi)力數(shù)據(jù)對(duì)比表

由表2數(shù)據(jù)分析可知,在自重及外荷載作用下，兩種模型計(jì)算得到的內(nèi)力數(shù)據(jù)差異顯著。支座反力可間接得到桁架結(jié)構(gòu)的鋼架部分的自重，即方案一自重168.6 kN，方案二自重257.4 kN，方案二結(jié)構(gòu)自重明顯大于方案一；彎矩、應(yīng)力數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出方案二明顯大于方案一的情形。綜上，方案一的自重小，用鋼量少，結(jié)構(gòu)內(nèi)力相對(duì)較小，承載儲(chǔ)備相對(duì)較大，即方案一明顯優(yōu)于方案二。

3)變形對(duì)比分析。

對(duì)結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行模擬加載，在不同的荷載工況作用下，提取結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)分析可知,在相同荷載工況作用下，主要考察了結(jié)構(gòu)在跨中位置的主梁及弦桿的豎向變形，經(jīng)對(duì)比得出，方案一在三種荷載工況作用下的變形均小于方案二，方案一抵抗變形的能力優(yōu)于方案二。

表3 變形數(shù)據(jù)對(duì)比表

根據(jù)CJJ 69—1995城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范的要求,天橋上部結(jié)構(gòu)，由人群荷載計(jì)算的最大豎向撓度不應(yīng)超過L/800的允許值，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相符合。兩種方案的上部結(jié)構(gòu)在人群荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為3.267 mm，遠(yuǎn)小于25 mm(20 000/800)的規(guī)范限值要求。

4)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)比分析。

鋼箱梁這種結(jié)構(gòu)形式雖然經(jīng)濟(jì)美觀，能夠滿足承載能力的要求，但這種結(jié)構(gòu)的固有頻率比較低，容易發(fā)生共振。專門用于行人的天橋，結(jié)構(gòu)自重小，當(dāng)橋上行人較多時(shí)，很容易產(chǎn)生較大的振動(dòng)。因此，人行天橋設(shè)計(jì)中必須注意荷載頻率和自振頻率過分接近而引起的振動(dòng)問題[6-8]。CJJ 69—1995城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范2.5.4條的規(guī)定，為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)頻率不應(yīng)小于3 Hz。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度振型分析，特征值分析中，采用子空間迭代法，計(jì)算前10階振型，迭代次數(shù)20次，收斂誤差1×10-10,計(jì)算得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)前10階的周期、頻率及振型。方案一、二的振型見圖3。

經(jīng)計(jì)算方案一、二的結(jié)構(gòu)自振頻率分別為4.841 Hz和4.774 Hz，滿足規(guī)范的要求，與此同時(shí)，可得方案一的剛度略大于方案二，即方案一優(yōu)于方案二。

3 結(jié)語

在1.4小節(jié)(方案概況對(duì)比分析)中得到，方案一、二各有優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)，不能確定優(yōu)選哪一個(gè)方案，經(jīng)第2章(主梁結(jié)構(gòu)仿真模型對(duì)比分析)從結(jié)構(gòu)受力對(duì)比分析可得，從承載能力、變形能力、結(jié)構(gòu)剛度三個(gè)方面均得到方案一優(yōu)于方案二，因此，經(jīng)方案比選，最終確定方案一(三跨連續(xù)平頂鋼桁架橋)為本橋方案設(shè)計(jì)的推薦方案。

[1] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50223—2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] CJJ 69—1995，城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 肖建春.環(huán)形人行天橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1999,20(3):58-63.

[7] 薛紅云.某人行天橋建設(shè)方案及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2003(7):4-7.

[8] 林 海.人行天橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013.

Research on engineering scheme design of street pedestrian overpass of Dunhuang base small turntable

Ye Dong Wei Tao

(QinghaiBranch,ChinaPetroleumGroupEngineeringDesignLimitedLiabilityCompany,Dunhuang736202,China)

From the span, bridge width, stairway width and length, structure shape, construction difficulty, investment estimation and other aspects, this paper made contrast analysis on three sets of design schemes mentioned in street pedestrian overpass project schemes, in order to recommend the scheme 1, 2, through the establishment of main beam structure simulation model, from the bearing capacity, deformation capacity and structure stiffness three aspects made comparison, finally gained the bearing capacity of scheme 1, the deformation capacity and structure stiffness better than scheme 2, then determined the scheme 1 was the project recommended scheme.

span, bridge width, scheme

2015-01-28

葉 棟(1988- )，男，助理工程師； 魏 濤(1969- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)10-0174-03

U448.11

A